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就在刘邦起义的当年九月，项梁、项羽也在会稽（今江苏苏州市）举起了反秦的旗帜。
项梁，下相（今江苏宿迁西南）人，楚国贵族之后，其父就是被秦将王翦所杀的楚名将项燕。项羽为项梁之兄子，名籍，字子羽（一字羽）。
项羽年少时，家人希望他读书写字，项羽不喜欢，又去学击剑，项羽也不喜欢。家人责备他，项羽说：“我要学万人敌的本事。”于是叔父项梁就教他兵法，但项羽也不肯学完。后来项梁因为杀人，逃到吴中避灾。
陈胜、吴广起义后，秦国各地起义军不断冒出，会稽郡守殷通觉得秦帝国要灭亡了。于是叫来项梁说：“秦王朝大势已去，我要占得先机，所以打算起兵反秦，让你和桓楚统领军队。”项梁说：“桓楚还在外逃亡，不知道人在哪里，只有项羽知道。”项梁随后出门叮嘱项羽持剑在门外等候，过了一会儿，殷通让项羽进来告之桓楚下落，随后项梁向项羽使了眼色，项羽突然拔出剑，斩下了郡守殷通的头颅。
项梁手里提着殷通的头，佩戴殷通的官印。殷通部下大为惊慌，一片混乱，项羽连杀将近一百人。整个郡府上下都吓得趴倒在地，没有一个人敢起来。项梁召集原先所熟识的豪强官吏，向他们说明起事反秦的道理，于是就发动吴中之兵起事。项梁派人去接收吴中郡下属各县，共得精兵八千人。又部署郡中豪杰，派他们分别做校尉、侯、司马。于是项梁做了会稽太守，项羽为裨将，去巡行占领下属各县。
陈胜被杀后，项梁召集部下议事，居巢人范增前来告诉项梁，如果不立楚国后人而自立，一定不会长久。于是项梁听取范增的意见，在民间找到楚怀王之孙熊心，仍立为楚怀王。项梁自号武信君。
项梁统军在东阿大破秦军，别遣项羽、刘邦攻打城阳，破秦军于濮阳东，秦军被迫退入濮阳城内，项羽、刘邦又率军攻打定陶，斩杀秦将李由。项梁连破秦军，非常骄傲。而此时秦派了大量的援军支援章邯，章邯在得到援军后突袭项梁，项梁兵败被杀。项羽和刘邦攻打陈留不下，于是商议退军，项羽引军驻扎彭城西，刘邦驻军于砀。
章邯打败并杀死楚地反秦义军首领项梁后，认为楚地已不足忧，于是渡过黄河，会合前来增援的王离军二十万一起攻打赵国，大败赵军。赵王赵歇，大将陈余，国相张耳，都逃进了巨鹿城。章邯命令王离、涉间包围巨鹿，自己的军队驻扎在巨鹿南边，筑起两边有墙的甬道给他们输送粮草。
无奈之下赵王派使者向楚怀王以及各国诸侯求援。当时秦军十分强大，救赵诸军驻扎在巨鹿城北，陈余曾派陈泽率五千人先去试试秦军的力量，结果是到了那里就全军覆没了，自此，诸侯联军没有人敢前去迎战。
到了秦二世二年（前208年）后九月（闰月），楚怀王阵营分兵两路，一路以卿子冠军宋义为上将军，鲁公项羽为次将，亚父范增为末将，率军数万北上以解巨鹿之困；另一路以刘邦为主帅，进攻关中。楚怀王许诺说谁先攻下关中，就封谁为关中王。
楚国援赵大军进至安阳（现在山东曹县东南）后，宋义称最好等秦赵两败俱伤后楚军再收渔人之利，故逗留46天不前进。项羽因此痛斥宋义并杀死了他。楚怀王遂封项羽为上将军，并令英布和蒲将军两支楚军也归其指挥。项羽率楚军到达巨鹿县南的黄河（一说为漳水），立刻派遣英布和蒲将军率两万义军渡过河，援救巨鹿。二将渡河后初战小胜，赵将陈余又催促进兵。接着，项羽率领全军渡过黄河（一说为漳水），命令全军破釜沉舟，烧掉房屋帐篷，只带三日粮，以示不胜则死的决心，以迅雷不及掩耳之势直奔巨鹿，击败章邯部保护甬道的秦军，断绝王离部的粮道，包围了王离军队。项羽的决心和勇气，对将士起了很大的鼓舞作用。楚军把王离的军队包围起来，个个士气振奋，以一当十，越战越勇。经过九次激烈的战斗终于打退章邯，活捉了王离，杀死了秦将苏角，秦将涉间举火自焚，其他的秦军将士有被杀的，也有逃走的，围困巨鹿的秦军就这样瓦解了。
此时，楚军的雄威压倒了诸侯军；援救巨鹿的诸侯国的军队有营垒十多座，却都不敢发兵出击。待到楚军攻打秦军的时候，诸侯军的将领都在营垒上观战。见楚军士兵无不以一当十，喊杀声惊天动地，诸侯军人人都惊恐不已。这样打败了秦军后，项羽便召见诸侯军将领。这些将领们进入辕门时，没有一个不是跪着前行的，谁也不敢仰视。项羽自此始成为诸侯军的上将军，各路诸侯都归他统率了。
但在《史记·张耳陈余列传》中，关于诸侯军又有另一种说法：“项羽兵数绝章邯甬道，王离军乏食，项羽悉引兵渡河，遂破章邯。章邯引兵解，诸侯军乃敢击围巨鹿秦军，遂虏王离。涉间自杀。”按《张耳陈余列传》所叙述，则诸侯军仅仅在项羽与章邯的甬道护军作战时作壁上观，待项羽进攻王离时，诸侯军则参与了围攻，俘王离、迫使涉间自杀，是楚军和诸侯军的共同战果。
由于秦军屡屡退却，秦二世派人来责问章邯。章邯害怕了，派长史司马欣回朝廷去请示公事。司马欣到了咸阳，被滞留在宫外的司马门待了三天，赵高竟不接见，心有不信任之意。长史司马欣非常害怕，赶快奔回棘原军中，都没敢顺原路走，赵高果然派人追赶，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，下面的人不可能有什么作为。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。希望您认真考虑！”
这时，陈余也给章邯写了封信，说：“白起身为秦国大将，南征攻陷了楚都鄢郢，北征屠灭了马服君赵括的军队，打下的城池，夺取的土地，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，在榆中开拓了几千里的土地，最终也被杀害于阳周。这为什么呢？就是因为他们战功太多，秦朝廷不可能每个人都予以封赏，所以就从法律上找借口杀了他们。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。那赵高一向精于奉承，时日已久，如今形势危急，他也害怕秦二世杀他，所以想从法律上找借口，杀了将军来推卸罪责，让别人来代替将军以免去他自己的灾祸。将军您在外时间越久，朝廷里跟您有嫌隙的人就越多，有功也是被杀，无功也是被杀。而且，上天要灭秦，不论是智者，还是愚者，谁都明了。现在将军您在内不能直言进谏，在外已成亡国之将，孤自一人支撑着却想维持长久，难道不可悲吗？将军您不如率兵掉转回头，与诸侯联合，订立和约一起攻秦，共分秦地，各自为王，南面称孤，这跟身受刑诛，妻儿被杀相比，哪个上算呢？”章邯犹疑不决，秘密派军侯始成到项羽那里去，想要订立和约。和约没有成功，项羽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，与秦军交战，再次击败秦军。项羽率领全部军兵在沔水攻击秦军，把秦军打得大败。
章邯又派人来求见项羽，想订和约。项羽应允，与章邯约好日期在洹水南岸的殷墟上会晤。订完了盟约，章邯见了项羽，禁不住流下眼泪，向项羽述说了赵高的种种劣行。项羽封章邯为雍王，安置在项羽的军中。任命司马欣为上将军，统率秦军担当先头部队，巨鹿之战结束。
部队到了新安，诸侯军的官兵以前曾经被征徭役，驻守边塞，路过秦中时，秦中官兵很多人对待他们不像样子，等到秦军投降之后，诸侯军的官兵很多人就借着胜利的威势，像对待奴隶一样地使唤他们，随意侮辱。秦军官兵很多人私下议论：“章将军骗我们投降了诸侯军，如果能入关灭秦，倒是很好；如果不能，诸侯军俘虏我们退回关东，秦朝廷必定会把我们父母妻儿全部杀掉。”诸侯军将领们暗地访知秦军官兵的这些议论，就报告了项羽。项羽召集黥布、蒲将军商议道：“秦军官兵人数仍很多，他们内心里还不服，如果到了关中不听指挥，事情就危险了，不如把他们杀掉，只带章邯、长史司马欣、都尉董翳进入秦地。”于是楚军趁夜把秦军二十余万人击杀坑埋在新安城南。
将俘虏全部坑杀了，这样不光解决了粮草问题，也收了六国遗族的心。但是项羽这么做，虽在当时将自己的声望推到了巅峰，但也将关中到巴蜀的老百姓彻底得罪了，而项羽后来的对手刘邦，在这种事情的处理上，显然要比他高明很多。
与项羽北上救赵、俘虏王离、迫降章邯的同时，刘邦趁秦军主力被牵制在河北，也乘虚自率一军向西进发，首先进入关中。于秦二世三年（前207年）八月突破武关，十月进入咸阳，秦王子婴出降，秦朝灭亡。