秦二世二年三月至三年九月，項羽、劉邦繼承陳勝、吳廣未竟的事業，團結反秦力量，推翻秦王朝統治的戰爭。
元年七月，陳勝、吳廣首舉反秦義旗，得到廣大民眾及各種反秦力量的積極響應。同年九月，楚名將項燕後裔項梁、項羽叔侄，殺會稽郡守殷通起義，聚集精兵8000餘；劉邦起兵沛縣得2000人；另有英布、秦嘉、陳嬰、酈商等及魏、趙、齊等地的原六國舊貴族先後起兵。
陳勝、吳廣起義失敗後，原六國舊貴族擁兵割據，各地反秦武裝亦在繼續積極抗秦。二年春，奉陳勝之命攻取廣陵的義軍將領召平，以陳勝名義封項梁為「張楚」農民政權上柱國，建議他引兵西進擊秦，三月，項梁、項羽率軍渡江北上，沿途收編陳嬰、英布、呂臣、蒲將軍等多部反秦武裝，並擊敗占據彭城以東地區的秦嘉部，隊伍迅速壯大。秦將章邯擊滅陳勝、吳廣農民起義軍後，為逐次消滅北方各部反秦勢力，北上至栗縣。項梁遣朱雞石迎戰不利，退軍到薛時，劉邦率部歸附。這時，義軍已發展到10萬餘人。項梁得知陳勝敗亡的消息，接受范增建議，擁立死於秦國的原楚懷王之孫熊心為王，仍稱楚懷王，作為反秦號召。項梁自稱武信君，掌握軍政大權。
章邯軍在栗縣擊敗朱雞石部後，對魏、齊、趙等地的反秦力量發起攻擊，擊敗齊、魏聯軍於臨濟，乘勝進攻齊地的東阿。項梁率軍援齊，大敗章邯軍於東阿城下。楚軍追擊至濮陽東，再敗秦軍。章邯退入濮陽防守，同時，項羽，劉邦率軍在城陽、雍丘、定陶、陳留等地連破秦軍。九月，章邯得到補充，大破義軍於定陶一帶。項梁戰死。為避免被秦軍各個擊破，項羽、劉邦等率部東撤到彭城一帶，楚懷王也自盱台遷到彭城。
章邯擊敗項梁於定陶後，認為楚地兵不足憂，即率軍北上攻趙。同年閏九月，秦軍攻占趙都邯鄲。趙王歇、趙相張耳由信都退守巨鹿。章邯令王離、涉間率20萬人圍攻巨鹿，自率20萬人屯於巨鹿南之棘原，築甬道至巨鹿城外，補給王離軍。趙王歇幾次派人向彭城楚軍求救。楚懷王任命宋義為上將軍、項羽為次將軍，率主力北上救趙；遣劉邦率一部分兵力乘關中空虛無備，進軍咸陽。三年冬十一月，宋義率軍抵安陽，滯留46日，企圖坐觀秦、趙相鬥，以收漁人之利。時天寒大雨，軍中缺糧，士卒凍餓，且巨鹿危在旦夕。十一月，項羽多次建議立即北上救趙，義不聽，反下令軍中，不從命者皆斬；而整天飲酒高會。項羽遂殺宋義。楚懷王改命項羽為上將軍，率軍救趙。當時，巨鹿兵少食盡，趙將陳余及燕齊等國救兵畏懼秦軍，不敢出戰。
十二月，項羽以英布、蒲將軍率2萬餘人渡過漳水救趙，取得初戰勝利。陳余復請救兵。於是，項羽親自率主力渡河，下令鑿沉船隻，打破「釜甑」，每人只攜三日口糧，以示誓死決戰之心。至巨鹿，與秦軍相遇，九戰，大破秦軍，絕其甬道，擊殺秦將蘇角、俘虜王離，涉間自殺。諸侯軍等敬服，擁戴項羽為諸侯上將軍。爾後，項羽乘勝追擊至漳水南岸，屢次擊敗秦軍。章邯求和未成，率軍後撤。項羽以蒲將軍追擊，至三戶津，再破秦軍。章邯率軍南退，項羽又親率楚軍及諸侯軍追擊，大破秦軍於汗水上。章邯連戰失利，遭秦二世指責，進退無路。七月，遂率20萬秦軍降楚。至此，秦軍主力全部被殲。項羽即長驅入關。
三年二月，劉邦率軍由碭出發西進。劉邦採用靈活機動的戰術，避免攻堅，乘虛而進。攻昌邑未下，轉兵向西攻破陳留，隨後，向南迂迴，出轅轅關險道，攻克宛城，沿途不斷發展壯大隊伍。八月，用張良計，收買秦將，乘其不備，襲破通往關中的重要門戶武關。是時，秦軍主力已被項羽殲滅，秦統治集團內部矛盾激化。丞相趙高逼殺二世，立子嬰為秦王。九月，子嬰殺趙高，派兵據守蟯關。劉邦繞過嶢關，與秦軍戰於藍田，三戰三勝，遂破之。軍至霸上，直逼咸陽。漢高帝元年十月，秦王子嬰出降。劉邦進占咸陽，秦亡。
點評：義軍繼承陳勝、吳廣「伐無道，誅暴秦」的政治口號，團結各地反秦力量，推翻了秦王朝。項羽在巨鹿之戰中以「破釜沉舟」的決心，九戰九捷，殲滅王離軍，又以積極連續的作戰，迫降章邯於汀水，殲滅了秦軍主力。劉邦以少量兵力乘隙而進，戰術靈活，並注意團結和收編沿途武裝力量，壯大自己，終占秦都咸陽。