刘邦还定三秦以后，项羽就预感刘邦会东进，但是当时有张良的一封信，而且自己也想先平定齐国，然后一心一意对付刘邦，所以让刘邦钻了空子。
面对刘邦的攻势，项羽并不是无所作为，他一面派郑昌为韩王，前往韩地抵挡刘邦东进，一面派龙且抵挡北路军，又派兵据守阳夏阻拦南路军。没想到其余各路的阻截计划均告失败。而项羽寄予厚望的英布却趁此坐山观虎斗。刘邦的浩浩荡荡几十万大军数月就尽占楚地。项羽陷入前所未有的危机中，他面临的将是和巨鹿之战一样艰巨的战斗，这次是不是也能在刀尖上跳一个完美的舞蹈呢？
项羽分析了一下自己所处的局势：齐国尚未平定，回师救楚，则腹背受敌；刘邦诸侯联军五十六万人，规模空前宏大，兵力悬殊；楚军后方沦陷，孤军深入，远离战场，长途奔波，敌人则以逸待劳，利用防御工事抵抗回师楚军；盟友背叛，政治大环境陷入极度孤立的状况……
项羽问手下：“各位将军，有什么良策呢？”这样的状况让项羽手下的将领们也非常头疼，他们抓耳挠腮，说不出一个所以然来。项羽似乎也料到他们没有什么良策，他果断地下令：“你们率领大军继续平定齐国，替我把他们制伏了。我亲自率三万精兵绕道彭城，灭了刘邦大军。”大家听完都一脸疑惑，不知道项羽哪根筋出了问题。他不但要以三万对刘邦五十六万，还要长途奔波，设局偷袭？！范增正欲说：“主公……”项羽摆摆手没有让他说下去，大家看出项羽此计已经酝酿多时了。
项羽悄悄行动了。
大部队还是留在齐国，继续打，这让刘邦放松警惕。项羽带着三万精锐骑兵，绕道彭城西南的萧县，悄悄地驻扎下来，静静观察刘邦动向。
这时刘邦的诸侯军已经全部进入彭城，纪律松懈，队形混乱不堪。大将忙着部署在北边建立防御，刘邦等主帅则夜夜举行宴会。项羽意识到刘邦的军队虽然号称五十多万，不过是乌合之众，心中暗喜。
到了晚上，项羽令三万精兵厉兵秣马，等待命令。项羽大帐灯火通明，一个人默默喝酒。后半夜，项羽突然下令，西出萧县，向东进攻彭城。到达彭城时，天才蒙蒙亮，经过几日狂欢，汉军非常疲惫，此时的彭城静悄悄的，偶尔听到几声鸡叫。
项羽下令偷袭，一下子打破了黎明前的寂静。只见项羽的三万骑兵，策马从汉军防御最薄弱的东边攻入彭城。
汉军尚在睡梦中，突然遭遇大规模偷袭，其慌乱可想而知！这时天已经大亮了，项羽很快摸清了汉军部署情况，迅速作出规划。刘邦，我来了，这一次我要全歼汉军。
接下来项羽一支骑兵直接攻击刘邦指挥中枢，造成刘邦联军指挥系统瘫痪！这支联军本来就缺乏组织纪律，一下子乱成一锅粥，根本无法组织有效的反抗。刘邦听到消息时，还是睡眼蒙眬，让士兵重复了好几遍才弄清楚发生了什么。项羽不是在打齐国吗？怎么突然间就杀回来了？连忙起床穿衣，准备迎战。但是此时，项羽已经把彭城搅得天翻地覆，刘邦喊这个这个不应，喊那个那个不答，三军统帅成了一个摆设，调动不了任何兵卒！刘邦急得破口大骂。
项羽还是死死咬住刘邦的主力进行攻击，不给刘邦喘息的机会。项羽的骑兵把联军引向南方的谷水、泗水，并在这里展开攻击，而刘邦联军犹如从云雾端落入无底的深渊，昨天还兴致盎然，大胜在握；今天就兵从天降，不知其所以然！不明白实情的联军又没有得到有效的组织，像无头苍蝇四处乱撞。这十万大军被项羽的三万骑兵紧紧地逼在河边，联军也顾不上打仗了，纷纷逃命，不一会儿就出现踩踏事件，很多人被挤进河中，死伤无数！联军为了活命拼命南逃，逃到更南的灵璧东睢水上，这时他们为了争夺活下来的机会开始自相残杀，被挤落水十多万。一时间，睢水堵塞，连水都不能流动了。
彭城之战最终形成了一面倒的局势。
刘邦也被楚军围了里外三层，插翅难飞。刘邦心想，这次完了，怕是逃不出项羽的手掌心了。然而，人算不如天算，这时，狂风骤然从西北方向刮起，树折屋毁，飞沙走石，刮得天昏地暗，伸手不见五指，直向楚军迎面袭去。楚军大乱，队阵崩溃，刘邦借此机会带领几十名骑兵慌忙逃离战场。
项羽本来要追击残兵败将，扩大战果，但兵力还是太少，力不从心，刘邦这才得以逃脱。
一败涂地的刘邦向西撤退的时候，一路走一路骂，狼狈不堪，连鞋子也掉了一只。途中，刘邦在夏侯婴的提醒下，派人去寻找家眷，但是家眷都已逃走了。刘邦只好继续亡命，没想到在途中却遇见自己的一对儿女，就把他们带上车，一块儿西逃。
楚军骑兵在后面追赶，刘邦心里那个急呀，心想：这次要是再落到项羽手中，怕难东山再起了。他一时着急，不断地催促夏侯婴：“快点，快点，不然就死定了！”车子不断加速，刘邦还是嫌车跑得慢，为了减轻重量，一横心把儿女推落车下。夏侯婴见了，赶紧下车把他俩重新扶上车，刘邦再次推下，夏侯婴又下车扶上来，这样推下扶上三次后，夏侯婴有点生气地对刘邦说：“虽说情况危急，把他们扔掉马也不能跑得更快。”这样，姐弟俩才得以上车，跟着一起脱险。
脱离危险后，刘邦到处寻找父亲和吕雉，没有找到。那时，审食其带着刘老爷子和吕雉抄小路寻找刘邦，不巧却被楚军逮了个正着。项羽得到了刘老爷子和吕雉，于是把他们扣留在军中，充当人质，走到哪里就带到哪里。
彭城之战是项羽一生中具有标志性意义的战役，又一次展现了他非同寻常的军事才华。在大的政治环境方面，原来投向刘邦的盟军此时又背叛刘邦，有的投靠了项羽，如塞王、翟王等；有的则重新脱离刘邦的控制，走向刘邦的对立面，如魏王豹、陈余等。
但是这场完胜的战役却留下了遗憾，项羽兵力太少，最后没有抓到主帅刘邦，使刘邦逃走留下后患。刘邦这次虽然败得很惨，还在历史上留下了逃跑时不顾儿女的恶劣印象，但是他并没有气馁，后占据荥阳成皋之地利，依靠关中汉中的有利资源，拉开四年之久的楚汉角逐战。
彭城之战是项羽又一次以少胜多、以弱胜强的战役，足以彪炳史册。项羽在战前的深谋远虑，大胆布局，分两线作战，既要保证战略偷袭的胜利，又严防齐国趁机包抄。在战术上选择直接攻击刘邦指挥中枢，造成刘邦联军指挥系统瘫痪。此战以完胜结局，不但歼灭刘邦主力，使刘邦陷入危机局面，而且扭转了项羽四面楚歌、孤立无援的政治局面，使项羽重新掌握楚汉战争的主动权。