这时候，范增听说了刘邦打败杨熊之事，想逼迫章邯早日决战。就派赵国的别将司马卬伪装成想渡过黄河，进入函谷关的架势。司马卬从一侧绕过了秦军，吸引章邯主力部队回防撤离，希望将章邯的目光吸引到刘邦身上。并对刘邦传达项籍的指示，希望刘邦在黄河渡口阻拦秦军，逼迫秦军决战。刘邦此时面临两难，一是与项籍合击章邯从函谷关入，一个是摧毁黄河渡口从武关入。
张良对刘邦说：“函谷关天险，一夫当关万夫莫开，实难攻破。虽破关之后一马平川畅通无阻，但是必然重兵把守。项羽现在是上将军，我们尚归属项羽节制。如今诸侯以项羽为首，项羽到时，恐增变数。如今我军已破杨熊，武关道虽然山峦起伏，坎坷难行，但是秦兵主力已然不在。我军可以先取阴平，截断黄河渡口，佯攻函谷关，，然后在取武关，攻入咸阳。”
于是刘邦就向北进攻平阴，拿下缑氏，截断黄河渡口，逼迫秦军与诸侯联军决战。刘邦又在在尸乡北面打败赵贲，樊哙率先登城，斩首八人，俘虏四十四人，被赐爵，封号贤成君。胡亥派人斥责章邯未能击败项羽转攻刘邦。
注：赵贲应该是秦国的大将，率领的秦国中央军来剿灭刘邦，不可能是地方郡兵。因为郡兵一般都是防守的，很少敢出城和刘邦这种名头很响亮的人交战。并且诸将不敢西进，也说明西进道路上布满了秦军主力。
章邯等人在战场兵力不足，刘邦部又击败杨雄，章邯分兵乏术，心里恐惧，派长史司马欣回去请示。宦官赵高对于军事完全不通，只暂时拖延不见。
公元前207年5月，司马欣因有恩于项氏，一心想投降项籍，所以决定策反章邯。长史司马欣逃跑，不敢原路返回，就从小路快马奔回棘原军中。赵高派人追赶，没有追上。司马欣回到军中，向章邯报告说：“赵高在朝廷中独揽大权，我们下面的军官根本见不到皇上。如今仗能打胜，赵高必定嫉妒我们的战功；打不胜，我们更免不了一死。将军想想退路吧！”司马欣故意说成赵高想要谋害自己，更想把罪责嫁祸于章邯，以此来促使章邯投降楚军。
公元前207年6月，陈馀给章邯写了封信，说：“白起身为秦国大将，向南拿下了楚都鄢郢，向北屠灭了马服君赵括，攻城略地，数也数不清，最后还是惨遭赐死。蒙恬也是秦国大将，北面赶跑了匈奴，在榆中开辟土地几千里，最终也惨死于阳周。如今将军您做秦将已三年了，士卒伤亡损失以十万计，而各地诸侯一时并起，越来越多。那个赵高必然嫁祸于你，借以推卸责任。将军在外时日已久，朝廷情况你又不知，有功也是被杀，无功也是被杀。将军何不倒戈与各路诸侯联合，签订和约，共同攻秦，割地为王呢？”
章邯犹疑不决，司马欣拉拢董翳共同劝说章邯投降。章邯终于痛下决心。才秘密派军候始成，到项籍那里去，想要订立和约。项籍因项梁之死不肯答应。
项籍见秦军士气低落，命令蒲将军日夜不停地率兵渡过三户津，在漳河之南驻扎下来。楚军与秦军交战，章邯内心已乱，兵力又处于劣势，秦军战败。项籍又率领全部军兵在汙水攻击秦军，秦军又再次败退。
这时候，刘邦又向南进军，假意与秦军在洛阳东面交战，战事不利退回到阳城。暗中聚集军中的骑兵，在南阳县东面和南阳太守吕齮交战，打败了秦军，攻取了南阳郡。南阳郡守吕齮逃跑，退守宛城。
公元前207年7月，张耳的宠臣申阳加入了项籍的诸侯联军。
章邯又派人来求见项籍，商谈投降之事。诸侯联军人数众多，粮草不足以持久，秦楚又相持不下。项籍召集军官们商议说：“部队粮草不多，我想答应他们来订约。”诸侯疲于征战，纷纷赞同。
项籍就和章邯约好日期在洹水南岸的殷墟上会晤。订完了盟约，章邯见了项籍，禁不住流下眼泪，向项籍述说了赵高的种种劣行。项籍答应封章邯为雍王，安置章邯在项籍的军中。
刘邦打算率兵绕过宛城西进，张良进谏说：“沛公虽然急于入关，但目前秦兵数量仍旧很多，又凭借险要地势进行抵抗。如果现在不攻下宛城，那么宛城的敌人从背后攻击，前面又有强大的秦军，这样就会腹背受敌。”
刘邦采纳张良的建议，连夜率兵从另一条道返回，又如张良所说更换旗帜，黎明时分，把宛城紧紧围住，围了好几圈。
南阳郡守见到此情此景想要自刎。他的门客陈恢说：“现在自刎还太早，事情还有很大转机。”于是陈恢越过城墙去见刘邦，说：“我听说您和诸侯约定，先攻入咸阳的人可以做关中王。现在将军停下来攻打宛城。宛城是个大郡的都城，相连的城池有几十座，人民众多，积蓄充足，官民都认为投降肯定要被杀死，所以都决心据城坚守。现在将军停在这里攻城，必定伤亡惨重。如果率军离去，宛城军队一定在后面追出。这样，您向西前进就会错过先进咸阳在那里称王的约定，后面又有宛城强大军队袭击的后患。我觉得，您倒不如约定条件投降，封赏南阳太守，让他留下来守住南阳，您率领宛城的士兵一起西进。那些还没有降伏的城邑，听到了这个消息，一定会争着打开城门迎接您。您就可以通行无阻地西进，没有后顾之忧了。”刘邦很开心的接受了陈恢的建议，于是封宛城郡守为殷侯，封给陈恢一千户食邑。
公元前207年8月，李斯死后，赵高名正言顺地当上了丞相，事无大小，都完全由他决断，几乎成了摄政王，渐渐不把胡亥放在眼中了。赵高想要谋反，又怕群臣不肯听从于他，就设下一计，带来一只鹿充作马献给胡亥。胡亥笑着说：“丞相错了，这是一只鹿。”问左右大臣，左右大臣有的沉默，有的故意迎合赵高说是马，有的说是鹿。胡亥见众口不一，以为自己是冲撞了神灵，才会认马为鹿，遂召太卜算卦，太卜道：“陛下祭祀时没有斋戒沐浴，故至于此。”胡亥信以为真，便在赵高的安排下，打着斋戒的幌子，躲进上林苑游猎去了。赵高就在暗中假借法律陷害那些说是鹿的人。以后，朝堂之上在没有人敢忤逆赵高。
刘邦率兵继续西进，所经过的城邑没有不降服的。到了丹水，高武侯戚鳃（戚夫人之父）、襄阳侯王陵也在西陵加入刘邦的队伍。刘邦听说了鄱君吴芮派别将梅鋗在攻打胡阳，想继续扩充队伍，又折回胡阳和吴芮的部队共同作战，一起降服了析县和郦县。打郦县时因为樊哙击退敌军，斩首二十四人，俘虏四十人，立邦对他再加封赏。郦商率军另外又平定了十七个县。张良也在此时结识了吴芮。
注：这两个王陵是不是一个人，史料并无记载。
无诸率领闽中甲兵跟随刘邦，驺摇、梅鋗率领百越兵也跟刘邦从武关道一同西进。
张苍是阳武人，他非常喜欢图书、乐津及历法。在秦朝时，他曾担任过御史，掌管宫中的各种文书档案。后来因为犯罪，便逃跑回家了。等到刘邦攻城略地经过阳武的时候，张苍就以宾客的身份跟随沛公攻打南阳。