劉邦還定三秦以後，項羽就預感劉邦會東進，但是當時有張良的一封信，而且自己也想先平定齊國，然後一心一意對付劉邦，所以讓劉邦鑽了空子。
面對劉邦的攻勢，項羽並不是無所作為，他一面派鄭昌為韓王，前往韓地抵擋劉邦東進，一面派龍且抵擋北路軍，又派兵據守陽夏阻攔南路軍。沒想到其餘各路的阻截計劃均告失敗。而項羽寄予厚望的英布卻趁此坐山觀虎鬥。劉邦的浩浩蕩盪幾十萬大軍數月就盡佔楚地。項羽陷入前所未有的危機中，他面臨的將是和鉅鹿之戰一樣艱鉅的戰鬥，這次是不是也能在刀尖上跳一個完美的舞蹈呢？
項羽分析了一下自己所處的局勢：齊國尚未平定，回師救楚，則腹背受敵；劉邦諸侯聯軍五十六萬人，規模空前宏大，兵力懸殊；楚軍後方淪陷，孤軍深入，遠離戰場，長途奔波，敵人則以逸待勞，利用防禦工事抵抗回師楚軍；盟友背叛，政治大環境陷入極度孤立的狀況……
項羽問手下：“各位將軍，有什麼良策呢？”這樣的狀況讓項羽手下的將領們也非常頭疼，他們抓耳撓腮，說不出一個所以然來。項羽似乎也料到他們沒有什麼良策，他果斷地下令：“你們率領大軍繼續平定齊國，替我把他們制伏了。我親自率三万精兵繞道彭城，滅了劉邦大軍。”大家聽完都一臉疑惑，不知道項羽哪根筋出了問題。他不但要以三萬對劉邦五十六萬，還要長途奔波，設局偷襲？ ！范增正欲說：“主公……”項羽擺擺手沒有讓他說下去，大家看出項羽此計已經醞釀多時了。
項羽悄悄行動了。
大部隊還是留在齊國，繼續打，這讓劉邦放鬆警惕。項羽帶著三万精銳騎兵，繞道彭城西南的蕭縣，悄悄地駐紮下來，靜靜觀察劉邦動向。
這時劉邦的諸侯軍已經全部進入彭城，紀律鬆懈，隊形混亂不堪。大將忙著部署在北邊建立防禦，劉邦等主帥則夜夜舉行宴會。項羽意識到劉邦的軍隊雖然號稱五十多萬，不過是烏合之眾，心中暗喜。
到了晚上，項羽令三万精兵厲兵秣馬，等待命令。項羽大帳燈火通明，一個人默默喝酒。後半夜，項羽突然下令，西出蕭縣，向東進攻彭城。到達彭城時，天才濛濛亮，經過幾日狂歡，漢軍非常疲憊，此時的彭城靜悄悄的，偶爾聽到幾聲雞叫。
項羽下令偷襲，一下子打破了黎明前的寂靜。只見項羽的三萬騎兵，策馬從漢軍防禦最薄弱的東邊攻入彭城。
漢軍尚在睡夢中，突然遭遇大規模偷襲，其慌亂可想而知！這時天已經大亮了，項羽很快摸清了漢軍部署情況，迅速作出規劃。劉邦，我來了，這一次我要全殲漢軍。
接下來項羽一支騎兵直接攻擊劉邦指揮中樞，造成劉邦聯軍指揮系統癱瘓！這支聯軍本來就缺乏組織紀律，一下子亂成一鍋粥，根本無法組織有效的反抗。劉邦聽到消息時，還是睡眼矇矓，讓士兵重複了好幾遍才弄清楚發生了什麼。項羽不是在打齊國嗎？怎麼突然間就殺回來了？連忙起床穿衣，準備迎戰。但是此時，項羽已經把彭城攪得天翻地覆，劉邦喊這個這個不應，喊那個那個不答，三軍統帥成了一個擺設，調動不了任何兵卒！劉邦急得破口大罵。
項羽還是死死咬住劉邦的主力進行攻擊，不給劉邦喘息的機會。項羽的騎兵把聯軍引向南方的谷水、泗水，並在這裡展開攻擊，而劉邦聯軍猶如從雲霧端落入無底的深淵，昨天還興致盎然，大勝在握；今天就兵從天降，不知其所以然！不明白實情的聯軍又沒有得到有效的組織，像無頭蒼蠅四處亂撞。這十萬大軍被項羽的三萬騎兵緊緊地逼在河邊，聯軍也顧不上打仗了，紛紛逃命，不一會兒就出現踩踏事件，很多人被擠進河中，死傷無數！聯軍為了活命拼命南逃，逃到更南的靈璧東睢水上，這時他們為了爭奪活下來的機會開始自相殘殺，被擠落水十多萬。一時間，睢水堵塞，連水都不能流動了。
彭城之戰最終形成了一面倒的局勢。
劉邦也被楚軍圍了里外三層，插翅難飛。劉邦心想，這次完了，怕是逃不出項羽的手掌心了。然而，人算不如天算，這時，狂風驟然從西北方向刮起，樹折屋毀，飛沙走石，刮得天昏地暗，伸手不見五指，直向楚軍迎面襲去。楚軍大亂，隊陣崩潰，劉邦藉此機會帶領幾十名騎兵慌忙逃離戰場。
項羽本來要追擊殘兵敗將，擴大戰果，但兵力還是太少，力不從心，劉邦這才得以逃脫。
一敗塗地的劉邦向西撤退的時候，一路走一路罵，狼狽不堪，連鞋子也掉了一隻。途中，劉邦在夏侯嬰的提醒下，派人去尋找家眷，但是家眷都已逃走了。劉邦只好繼續亡命，沒想到在途中卻遇見自己的一對兒女，就把他們帶上車，一塊兒西逃。
楚軍騎兵在後面追趕，劉邦心裡那個急呀，心想：這次要是再落到項羽手中，怕難東山再起了。他一時著急，不斷地催促夏侯嬰：“快點，快點，不然就死定了！”車子不斷加速，劉邦還是嫌車跑得慢，為了減輕重量，一橫心把兒女推落車下。夏侯嬰見了，趕緊下車把他倆重新扶上車，劉邦再次推下，夏侯嬰又下車扶上來，這樣推下扶上三次後，夏侯嬰有點生氣地對劉邦說：“雖說情況危急，把他們扔掉馬也不能跑得更快。”這樣，姐弟倆才得以上車，跟著一起脫險。
脫離危險後，劉邦到處尋找父親和呂雉，沒有找到。那時，審食其帶著劉老爺子和呂雉抄小路尋找劉邦，不巧卻被楚軍逮了個正著。項羽得到了劉老爺子和呂雉，於是把他們扣留在軍中，充當人質，走到哪裡就帶到哪裡。
彭城之戰是項羽一生中具有標誌性意義的戰役，又一次展現了他非同尋常的軍事才華。在大的政治環境方面，原來投向劉邦的盟軍此時又背叛劉邦，有的投靠了項羽，如塞王、翟王等；有的則重新脫離劉邦的控制，走向劉邦的對立面，如魏王豹、陳餘等。
但是這場完胜的戰役卻留下了遺憾，項羽兵力太少，最後沒有抓到主帥劉邦，使劉邦逃走留下後患。劉邦這次雖然敗得很慘，還在歷史上留下了逃跑時不顧兒女的惡劣印象，但是他並沒有氣餒，後佔據滎陽成皋之地利，依靠關中漢中的有利資源，拉開四年之久的楚漢角逐戰。
彭城之戰是項羽又一次以少勝多、以弱勝強的戰役，足以彪炳史冊。項羽在戰前的深謀遠慮，大膽佈局，分兩線作戰，既要保證戰略偷襲的勝利，又嚴防齊國趁機包抄。在戰術上選擇直接攻擊劉邦指揮中樞，造成劉邦聯軍指揮系統癱瘓。此戰以完胜結局，不但殲滅劉邦主力，使劉邦陷入危機局面，而且扭轉了項羽四面楚歌、孤立無援的政治局面，使項羽重新掌握楚漢戰爭的主動權。