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這樣，沛公劉邦成為項梁手下一員大將。而不久項羽攻下襄邑也還至薛。當陳勝死亡的訊息確實之後，項梁盡召諸將還薛，採納居巢人范增之議，立戰國時楚懷王的後裔心為楚王，仍號楚懷王，都盱眙。楚懷王以陳嬰為上柱國，項梁號武信君。
立楚懷王后。項梁率軍北上救齊趙。在亢父、東阿大破秦軍。這時齊軍因田間、田都、田角之故，引兵還齊。只有楚軍追擊秦軍。於是項梁下令楚軍分軍，以劉邦、項羽為帥，率楚軍一部攻城陽。劉項二人率軍攻下城陽。屠之。然後追擊秦軍至濮陽東。再次大破秦軍。秦軍這時得到補充。軍勢復振，守濮陽、環水。劉項二人不與之戰，繞過進攻定陶。定陶未下。放棄，西攻雍丘（今河南杞縣）。沛公將曹參大破秦兵，斬殺三川守李由，並俘虜秦侯一人。之後，劉項二人還攻陳留，未下。這時秦將章邯大破項梁於定陶，項梁本人亦戰死。劉項二人大驚，兩人商量後決定放棄陳留，還軍東歸。劉項二人分兵，項羽軍駐彭城西、呂臣軍駐彭城東，而沛公軍駐碭。
項梁之死，使諸侯震怖。而秦軍更是挾戰勝餘威常追亡逐北。章邯經過一連番勝利，認為楚國已不足慮，於是北上進攻趙國攻下邯鄲後遷其民於河內。而趙軍退守鉅鹿，章邯率軍進圍趙王歇與趙相張耳於鉅鹿。這時楚懷王把都城由盱眙遷至彭城，並項羽軍與呂臣軍自將。封項羽為長安侯，任魯公；封沛公劉邦為武安侯，任碭郡長，將本部兵駐碭。以呂臣為司徒，其父呂青為令尹。經過一番調整之後，楚國局勢穩定下來。
趙王與張耳困於鉅鹿，遣使至楚向楚國求救。楚懷王經過商議後答應救趙。但為了分散秦軍力量，決定派一支部隊西向直接攻秦。北路楚軍以宋義為主將，西路軍以劉邦為主將。約定誰先入關中，誰就是關中王。當時由於秦軍軍勢正壯，楚國上下皆不看好西征，都不願意領軍西征。於是他們以沛公為西征軍統帥西征，藉口是劉邦為人寬厚，可以減少西進阻力。而項羽則因為叔父之死，積極要求隨沛公西征。但楚諸老將皆以項羽為人“僄悍滑賊”及“所過皆殘滅”不利於西征為由拒絕了項羽的要求，讓他擔任北路軍的次將北上救趙。
沛公軍由碭出兵，北上先行收集陳勝、項梁的散卒。至成陽，與秦軍夾壁槓裡。沛公軍出擊秦軍，大破秦軍，秦將王離逃走。＇接著，沛公引兵西進，遇彭越於昌邑（今山東鉅野縣大謝湖鎮昌邑村）。兩人合力攻昌邑，未下，沛公還軍至慄（今河南夏邑）。在慄，遇剛武侯，奪其軍，沛公軍隊增加了四千多人。接著與魏將皇欣、魏申徒武蒲軍合攻昌邑，又沒攻下。沛公劉邦決定捨棄昌邑不打，率軍西行。
劉邦行軍至高陽，並訪求賢士。正好沛公軍隊中有一騎士家在高陽，於是回家探親。這時高陽人酈食其為其同鄉，於是就請他代為向劉邦引薦自己。他對騎士說：“我聽說沛公傲慢而看不起人，但他有許多遠大的謀略，這才是我真正想要追隨的人，只是苦於沒人替我介紹。你見到沛公，可以這樣對他說，‘我的家鄉有位酈先生，年紀已有六十多歲，身高八尺，人們都稱他是狂生，但是他自己說並非狂生。騎士說：“沛公並不喜歡儒生，許多人頭戴儒生的帽子來見他，他就立刻把他們的帽子摘下來，在裡邊撒尿。在和人談話的時候，動不動就破口大罵。所以您最好不要以儒生的身份去向他遊說。”酈食其對他說：“你只管像我教你的這樣說。”騎士回去之後，就按酈生囑咐的話從容地告訴了沛公。於是透過騎士引薦，酈食其見到了沛公。但劉邦在召見他時，正踞坐在床，令兩女子給其洗腳。酈食大為滿，長揖不拜，直接斥責道：“您是想幫助秦國攻打諸侯呢，還是想率領諸侯滅掉秦國？”＇劉邦罵道：“你個奴才相儒生！天下的人同受秦朝的苦已經很久了，所以諸侯們才陸續起兵反抗暴秦。你怎麼說幫助秦國攻打諸侯呢？”＇酈生曰：“如果您下決心聚合民眾，召集義兵來推翻暴虐無道的秦王朝，那就不應該用這種倨慢不禮的態度來接見長者。”於是劉邦起身道歉，整理好後以禮接待了酈食其。當時，酈食其有個弟弟名叫酈商，陳勝起兵時，他亦聚數千人響應。酈食其歸漢，酈商率其部下約四千多人加入沛公隊伍。
酈食其勸劉邦進攻陳留，劉邦從其計，奪下陳留。得到大量補給。接著令酈商為將。進攻開封，未下。繞過西進，