三月，刘邦从临晋渡过黄河，魏王豹领兵跟随。汉军攻占河内郡，俘虏殷王司马昂，把其封地设置为河内郡。刘邦进军到达修武。陈平从楚国逃来归降，刘邦和他交谈后很高兴，任命陈平担任自己的参乘，负责监督诸将，随后南渡平阴后到达洛阳。
新城三老董公拦住刘邦，向他哭诉义帝的死因。他劝刘邦说：“臣我听说过‘顺德者昌，逆德者亡’，‘兵出无名，事故不成’。所以才说：‘明其为贼，敌乃可服。’项羽为人残暴无道，弑杀君主，他是天下之贼。如果我们手中掌握了仁义，就不要再以勇力取胜，施行仁义不以勇力夺取。建议大王命令三军部众素服为义帝发丧，通报给各路诸侯，以此为口号东伐，四海之内没有人不会仰慕大王恩德。这是三王成就天下之举。”
刘邦说：“说得好。不是先生教诲，我真不知道这个道理。”
刘邦下令为义帝隆重发丧，他袒露出左臂大哭，前后共哭祭三天。随后向天下诸侯发出公告讨伐项羽：“天下共同拥立义帝，然后都以臣子面北服侍。现在项羽放逐并杀害义帝于江南，是大逆无道之举。寡人我亲自为义帝发丧，诸侯应当全部缟素服丧。我宣布，征发关中全体军兵，集合河南、河北、河东三郡的贤士，然后向南浮江而下。我希望各诸侯王跟随我进攻杀害义帝的楚国刽子手。”
这是刘邦对项羽发出的第一张作战檄文，号召天下诸侯群起向项羽发动进攻。
夏四月，田荣的弟弟田横收集起数万人，拥立田荣的儿子田广为齐王。项羽虽然听说了汉军东进的消息，无奈正在进攻齐国，就决心先解决这一路后再返回进攻汉军，所以刘邦得以从容率领五路诸侯军兵向东进攻楚国。联军到达外黄时，彭越率领三万人归降汉军，刘邦封彭越为魏国相国，命令他平定梁地。
刘邦攻占彭城后，抢夺财物美女，天天摆酒庆贺。项羽听说后，命令手下部将继续进攻齐国，亲自率领精兵三万人从鲁城经过胡陵，迅速向西到达萧县。楚军在早晨向联军发起攻击，双方在彭城灵壁以东的睢水上展开大战。结果联军大败，士卒被斩杀的不计其数，尸体堵塞住睢水流淌。
楚军分三层包围了刘邦，突然从西北方向刮起大风，折树倒屋，飞沙扬石，天地一片昏暗，风头直向楚军。楚军大乱，刘邦才趁机带领几名骑兵逃走。
刘邦来到沛县，派人四处寻找自己的家室，但家人却已经全部逃亡，最终也没有找到。他在路上恰巧遇到了自己的儿子刘盈和女儿刘乐，楚军骑兵随后追击刘邦。刘邦急眼了，把儿子和女儿踹下车去，夏侯婴连续三次把两个孩子抱上车来，最后他们都万幸逃脱。
审食其跟随着刘太公和吕雉从小路上逃跑，却反而遭遇楚军后被俘，项羽把他们监禁在军中作为人质。诸侯看到汉军溃败，全都一哄而散逃走，塞王司马欣和翟王董翳投降楚军，殷王司马昂战死。
吕雉的哥哥周吕侯作为汉将，领兵守卫下邑，刘邦急忙前往投奔，收集失散的军卒，屯驻在砀县。
刘邦向西经过梁地后到达虞县，他对谒者随何说：“先生你如果能说服九江王英布率军背叛楚国，项羽肯定会留军进击。如果能留住他数月，我肯定能取得天下。”随何前往劝降英布，英布果然背叛了楚国。
五月，刘邦赶到荥阳，各路败军逐渐聚齐，萧何征调关中老弱以及支援的军兵陆续赶赴荥阳。韩信率领军兵和刘邦会合，汉军重新恢复了士气，和楚军大战于荥阳以南京、索之间，汉军终于击败了楚军。刘邦的部队驻扎在荥阳以南，在黄河南岸修筑起运粮的甬道，以便取用敖仓的粮食。
公元前204年，魏王豹借口回家探望生病的父母，回到封地后断绝了黄河渡口，反汉降楚。
六月，刘邦返回栎阳，在壬午日册立太子，宣布大赦天下罪人，诸侯的子女在关中的都到栎阳居住。韩信水灌废丘城，废丘守军投降，章邯自杀。
雍地平定后，共计八十多县，设置为河上、渭南、中地、陇西、上郡。刘邦命令祠官祭祀天地、四方、上帝、山川，以后按时进行祭祀。派出关中士卒前往守卫边塞。这时关中发生大饥荒，每斛米高达一万钱，出现了人吃人的惨状，刘邦安排饥民一起前往蜀地、汉中地区逃荒。
秋八月，刘邦到达荥阳，他对郦食其说：“现在派你以善言劝说魏王豹，如果劝说成功，就封先生为魏地万户侯。”郦食其领命后前往，魏王豹拒不听从。汉王派韩信为左丞相，和曹参、灌婴一起讨伐魏王。
郦食其返回报告。刘邦问：“魏国大将是谁？”郦食其回答说：“柏直。”刘邦说：“这是名乳臭未干的小儿，不是韩信对手。骑将是谁？”郦食其回答：“冯敬。”刘邦说：“他是秦将冯无择之子，虽有才能，但不是灌婴对手。步将是谁？”郦食其回答：“项它。”刘邦说：“他也不是曹参对手。我不用担忧了。”
九月，韩信等俘虏了魏王豹，押解到荥阳。随后平定了魏地，设置为河东、太原、上党郡。韩信派出使者向刘邦请求拨付军兵三万人，愿意北灭燕、赵，东击齐，南绝楚粮道。刘邦按数拨给韩信士卒。
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