秦二世二年（公元前208年）闰九月，章邯率秦军北渡黄河，大破赵军，赵王赵歇与丞相张耳入保巨鹿城。秦将王离、涉间以大军包围巨鹿，赵将陈余北收常山兵，得数万人，驻扎在巨鹿城北面。章邯率秦军驻扎在巨鹿城南面的棘原，筑甬道通达黄河，以源源不断的粮食供应巨鹿城下包围赵军的王离将士。两军对峙之下，秦军以势在必得的姿态威逼赵军，赵军面临着极为严峻的形势。
秦将王离依仗着兵多粮足，攻城凶猛甚急，而巨鹿城中的赵军“食尽兵少”，危在旦夕。城中的丞相张耳曾多次派使者催促陈余率军出击城下的秦军，陈余估计自己兵少，敌不过秦军，不敢贸然出击。一两个月过后，张耳大怒，派张、陈泽前往责问陈余说：“当初我与你结为生死之交，今日赵王与我早晚将死，而您拥兵数万，却不肯相救，哪里谈得上同生共死！如果是言必有信，为什么不冲向秦军与我们一道牺牲，也许会有十之一二的人可以得到保全。”
陈余回答说：“我估计到出击最终也不能救赵，将会白白地全军覆没。况且我陈余所以不想同归于尽，是想要为赵王、张君报秦军之仇。今日一定要同死，犹如把肉投向饿虎，有何益处？”
张、陈泽说：“事情紧急，已答应同死，要信守誓言，哪里管得以后的事！”
陈余说：“我死不要紧，既使考虑到那样做无有益处，我也一定照您俩的话办。”
于是陈余派五千人让张、陈泽率领着先同秦军试试，结果一出营垒便全军覆没了。
在敌我力量对比悬殊的形势下，陈余的坚壁不出策略是正确的，至少可以起到牵制秦军的作用。否则，一旦出击，势必全军覆没。陈余的数万军队既不能解巨鹿之围，巨鹿城中又兵少粮尽，只是依靠自己的力量是难免城破人亡的。危机之中，赵王多次派使臣向燕、齐、楚求救，各路诸侯纷纷派援军前来。张敖北收代兵万余人前来，在陈余的壁垒旁筑起工事，也不敢出击秦军。在各路援军中，只有楚军的到来才使双方力量对比发生了根本变化。
章邯大军包围巨鹿，赵王危在旦夕，多次派使者向楚求救。楚怀王及其部将深知章邯攻下巨鹿后，必定率大军南渡围攻楚军，到那时孤军与秦军作战，形势将更为不利，不如与各路义军联合起来在巨鹿同秦军决一死战。因此，楚怀王以宋义为上将军，封项羽为鲁公、次将，范增为末将，发大军救赵。各路将领都隶属于宋义，号为卿子冠军。救赵的楚军大队人马，北上行至安阳（今山东曹县东南），停留四十六日而不向前行进。
项羽急于与秦军交战，为叔父项梁报仇，对秦军章邯的嚣张气焰极为蔑视。他见宋义在安阳按兵不动，拒不救赵，便对宋义说：“我听说秦兵围赵军于巨鹿，如急速领兵渡过漳河，楚军从外围进攻，赵军从城内响应，必定能击溃秦军。”
宋义回答说：“不对。叮咬牛的牛虻不可以用来消灭虱子，今日秦军攻赵，即或是战胜也会使秦军疲惫，我们可以乘秦军疲惫来消灭他们；如果战败，我们可以率军大张旗鼓地西进，必定能一举灭亡秦朝。因此，不如首先使令秦、赵相互争夺。身披坚甲，手持利兵，我不如您；坐于帷帐之中运筹决策，您不如我。”
与此同时，宋义向全军下达命令：“猛如虎、狠如羊、贪如狼、倔强而不听从命令者，一律斩首。”
宋义还把儿子宋襄派往齐国去辅佐齐王，并亲自送至无盐（今山东省东平县东南），大摆酒席宴会。此时，正值天寒大雨，士卒们正在挨饿受冻。面对宋义的种种言行，项羽很是气愤。他说：“现在正是并力攻击秦军的时候，楚军却久留于安阳，不向前进发。如今年岁饥荒，百姓贫困，士卒们以芋头、豆子为食，军中又无有存粮，还在那里大摆酒席宴会，不带兵渡河吃用赵地的粮食，与赵军合力攻秦，却说什么利用他们的疲惫！以秦军的强大，进攻新建立的赵国，势必一战而胜。赵国被灭而秦军则会更加强大，哪里会有什么疲惫可以利用的！况且楚国军队新近被秦军战败，国王坐不安席，把全国军队集中起来交给将军指挥，国家的安危存亡，在此一举。如今不体恤士兵，而去为儿子谋求私利，并非是国家的栋梁之臣。”
清晨，项羽步入上将军宋义军帐，在军帐中斩下宋义人头，然后手提宋义头颅走出军帐，号令军中将士说：“宋义与齐王密谋反叛楚国，楚王密令我将他诛杀。”
众将领见上将军宋义已被斩首，无不畏惧而服从，没有人敢于抵拒，都说：“最早拥立楚王的，是将军一家；现在又是将军诛杀了乱臣贼子。”于是，众将领拥立项羽为代理上将军。与此同时，项羽派人追赶宋义的儿子宋襄，一直追到齐国，将宋襄杀死。又派桓楚向楚王汇报此事，楚怀王见宋义已被杀死，便正式任命项羽为上将军，当阳君黥布、蒲将军所统率的军队，都归项羽指挥。
项羽在关键时刻杀卿子冠军宋义，威名震动楚国，名声传遍诸侯，在与秦军交战之前已有先声夺人之势，楚军士气大为振作。于是，项羽派黥布、蒲将军首先率两万士卒渡过漳河，救援巨鹿赵军。楚军与秦军交战后，战事稍有胜利，陈余又向项羽请求援兵。于是，项羽下令楚军全部渡过漳河，开赴前线。渡河后，项羽又下令沉掉全部船只，砸毁锅甑，焚烧营垒，只携带三日的干粮，以此向士兵们表示同秦军决一死战，无有退还的生路，只有向前，在同秦军的殊死战斗中求得生路和胜利。楚军将士人人斗志昂扬，到达巨鹿后便把秦将王离的攻城部队层层包围，多次与秦军激战，断绝了秦军送粮的甬道，大破秦军，杀死秦将苏角，俘虏秦将王离。秦将涉间拒不降楚，自己投火而死。巨鹿之围因围城秦军的溃败和楚军的大获全胜而宣告解除。
在项羽所统率的楚军同王离所统率的秦军在巨鹿城下激战的前夕，援救赵军的各路诸侯在城下设有十余处营寨，他们都不敢出寨与秦兵交战。当项羽统率的大军向秦军发起攻击时，各路诸侯的将领们都在壁垒上观看楚秦两军这一场空前激烈的厮杀。他们所看到的是：楚军战士“无不以一当十，楚兵呼声动天”。而“从壁上观”的各路诸侯将士，简直是被这一场面惊呆了。他们屏住呼吸地观看两军厮杀，“无不人人惴恐”。
巨鹿城下的秦军被击溃后，项羽召见各路诸侯的将领。这些被召见的将领进入项羽军营的辕门后，“无不膝行而前，莫敢仰视”。从此，项羽成了各路起义军的上将军，各路诸侯的军队都归属项羽统一指挥。
项羽所率楚军在巨鹿城下与王离所率秦军激战时，由秦将章邯所率领的秦军另一支主力部队，仍驻扎在巨鹿南面的棘原，没有出垒与楚军交战。项羽在巨鹿城下获胜、俘虏秦将王离之后，率大军驻守在漳水南面，秦、楚两军“相持未战”。
在章邯与项羽二军相持的前前后后，秦帝国宫廷内部正在为争权夺势而相互倾轧。这时，晚节不保的帝国丞相李斯，已被阴谋家赵高陷害致死，赵高已攫取了帝国大权，昏庸的秦二世成了赵高手中的傀儡。秦军在巨鹿城下失利，秦二世派人责问章邯。章邯恐惧，派长史司马欣回咸阳请示。司马欣到达咸阳后，在司马门（即皇宫外门）逗留三日，赵高也不予接见，对章邯表示不信任。司马欣见势不妙，恐惧而逃，奔回前线。为防备万一，司马欣不敢从原路东行。赵高果然派人追赶，但没有追到。司马欣回到巨鹿，向章邯报告说：“赵高在朝中当权，下面的人不可能有所作为。如今能作战获胜，赵高必定嫉妒我们的功劳；如不能获胜，难免一死。”这时，赵将陈余也写给章邯一封书信，信中说：“白起身为秦将，南征*郢，北坑赵国马服君赵括的四十万降卒，攻城略地，不可胜数，而终于被赐死。蒙恬身为秦将，北逐匈奴，在榆中开地数千里，归终竟被斩于阳周（今陕西子长县北）。这究竟是何缘故？是因为他们功多，朝廷无法完全封赏，所以找借口依法诛杀。今将军为秦将已历时三年，所损失的士卒有十余万人，而各路诸侯并起，日益增多。那个赵高素来阿谀奉承，为时已久。今日事情紧急，他恐惧二世会诛杀自己，所以想依法诛杀将军来搪塞责任，派人替代将军来解脱自己的祸殃。将军长期领兵在外，朝廷内部矛盾重重，有功是死，无功也是一死。况且上天要灭亡秦朝，无论是智者与愚者，人所共知。今日将军对内不能直谏于上，在外是亡国之将，孤自一身而又想要常存于世，岂不令人悲哀！将军为何不倒戈，联合诸侯共同伐秦。瓜分秦地而南面称王，这同身伏刀斧、妻儿被杀相比，会是怎样？”
章邯在听过司马欣的汇报后，已心存疑虑；陈余书信的一番指点，使得章邯开始派出使者谋求与项羽订立和约。和约尚未订成，项羽派蒲将军日夜率兵渡过三户津（河北临漳县漳河上的一个渡口），驻扎在漳河南面，与秦军交战，再度击溃秦军。项羽率领全部大军在出水（在临漳县西的一条河流）攻击秦军，秦军被打得大败。
在军事上的接连溃败之下，章邯派使者见项羽，想要订立和约。项羽召见军官们谋划说：“现在军中已缺少粮食，可以听从他们的求和。”军官们都说：“这样很好。”于是项羽与章邯约期在沮水南的殷墟（今河南安阳市西北小屯村）会谈。订立盟约后，章邯满面流涕地见项羽，诉说赵高的种种行为。项羽于是立章邯为雍王，安置在楚军之中；使令司马欣担任降军的上将军，带领着投降的秦军作为先锋部队，向西挺进。项羽统率着各路诸侯的军队紧随其后，一路浩浩荡荡，直向秦王朝的所在地关中进发。
