章邯以为楚兵不足忧，率秦军北渡黄河，汇合自北方前来增援之王离军一起攻打赵国，并大败赵军于邯郸，随后王离继续包围赵王歇于巨鹿，章邯自己屯兵于南棘原，修筑墙垣甬道，为围城的王离秦军输送粮草辎重。赵国陈余北收恒山兵，得数万人，军巨鹿北。赵数请救于楚。
楚军阵营分兵两路，一支军队北往解赵国巨鹿之围，以宋义为上将军，号称“卿子冠军”，项羽为次将。另一支军队沿河南进攻关中，以刘邦为主帅。楚后怀王许诺“先入定关中者，王之。”
齐将田都、燕将臧荼皆往救赵。宋义率领楚军行至安阳，就按兵不动，滞留四十六日。项羽急欲攻打秦军，为阵亡的叔父项梁报仇雪恨，便催促宋义发兵，宋义不听，反讥项羽有勇无谋，还下令军中：“有猛如虎，狠如羊，贪如狼，强不可使者，皆斩之！”讽刺要杀死项羽。
宋义派遣其子宋襄到齐国当相邦，亲身送行到无盐，饮酒作乐。当时天气寒冷，天降大雨，士卒饥寒不堪，项羽利用这一点激起了士兵对宋义之不满。
在宋义按兵不动之第四十七个早晨，项羽朝会宋义，即入其帐中，斩其头示众。项羽随即向士卒宣布：“宋义与齐谋反楚，楚王阴令籍诛之！。诸将皆曰：“首立楚者，将军家也；今将军诛乱。”桓楚携宋义父子首级报告楚后怀王，怀王只好任命项羽为上将军，率兵救赵。
赵军陈余使五千人先尝试秦军，全军覆没。当时，齐师、燕师皆来救赵，赵军张敖亦北收代兵，得万余人，皆壁陈余旁，未敢击秦。
秦军兵力有王离军二十万与驻守粮道的章邯军二十万，楚军只有五万，兵力远远少于秦军。仔细考察形势后，项羽决定先派英布、蒲将军率两万楚军渡漳河，袭击秦军运粮甬道，获得几场小胜，令王离军乏食，并使章邯军疲于奔命，而能对王离军各个击破。项羽亲率全军渡河，并下令打破炊具，凿沉舟船，每人只带三日干粮，余者焚之，以示拼死一战之决心。
楚军在项羽身先士卒激励下士气高涨，作战十分勇猛，一举击破了秦军勇将苏角的军团，迫使章邯军溃退并撤走了对王离军后背的支援。此时项羽马不停蹄翻身再战王离、涉间之长城军团，九战九捷。当时一个楚军能杀十个秦军，而项羽又亲自奋勇厮杀激励士卒，“又羽兵呼声动天地，终使秦军大败。秦将苏角阵亡，王离被俘，涉间拒降而死。
项羽进攻秦军之前，虽已有燕、齐、魏、代、辽等十几路诸侯军抵达巨鹿前来救援，但都慑于秦军威力，只是屯兵