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刘邦主力尽失，向西溃退，靠召集起来的残兵和从关中调来的援兵终于得以在荥阳（今河南省荥阳市）一线组织起有效的防御体系，安顿了下来。
荥阳城处在河南省东部平原和西部丘陵山脉的连接处，易守难攻；荥阳的西南，乃是坚城成皋关，相传西周穆王曾经在这儿猎虎，并建造“虎牢”困虎，故又名虎牢关。关隘高筑在大？山上，南面连接中岳嵩山，北面是黄河天堑，山岭纵横，险峻异常，当真“一夫当关，万夫莫开”，是洛阳东边的天险和屏障，为兵家逐鹿中原的必争要地。春秋鲁隐公五年（公元前718年）郑国曾在这儿大败燕军；鲁襄公二年（公元前571年）晋悼王为了扫荡郑国，大会诸侯，采纳了孟献子“请城虎牢以逼郑”的计策，开始在这儿建筑城垒；战国时期齐、楚、燕、韩、赵、魏六国也曾经会师虎牢关和秦国对垒。
清顾祖禹评论说：“荥阳、成皋，自春秋以来，尝为天下重镇。由秦而上，晋楚于此争霸，由秦而下，楚汉于此分雄。后之有事者，未尝不睥睨此地而决成败焉。”
正因为荥阳、成皋位置如此重要，关系到得失中原与危及关中安全，所以，刘邦选择在此构建防御体系。
汉高帝二年（公元前205年）五月，项羽调兵遣将，开始了追杀刘邦的漫漫征程。
刘邦坚守荥阳，不与项羽交战，而命彭越袭扰楚国后方，使得楚军粮草转运困难。
第二年春，项羽从楚国调大批生力军增援，切断了荥阳的粮道，誓要拿下荥阳。
五月，荥阳粮尽，刘邦采纳纪信的建议，由纪信假扮刘邦，带领两千女子，从东门投降，自己金蝉脱壳，从西门溜了。
项羽功败垂成。
拿下荥阳，项羽乘势西进，一举取下成皋关。
从荥阳逃生的刘邦率领从关中发来的新军经武关（今陕西省丹凤县东南）、出宛（今河南省南阳市）、叶（今河南省叶县南），诱使项羽南下，以减轻主战场压力。
项羽为了手诛刘邦以泄腹中怨气，竟然冒着粮运难继的危险引兵南下。
然而，未等项羽有所举动，彭越在后方展开了猛烈的破坏活动。
彭越渡睢水，战下邳（今江苏省邳州市南），威胁彭城。
为保后方不失，项羽只好派终公防守成皋，自己分师回救。
彭越所执行的策略是“敌进我退、敌退我追、敌疲我打、敌驻我扰”，项羽一回来，他马上跑得无影无踪。
项羽气得七窍生烟。
但让他更为生气的还在后面。
他刚离开成皋，刘邦便从宛地北上，杀死终公，夺回了成皋。
汉高帝三年（公元前204年）五月，怒不可遏的项羽重新回到主战场，拔荥阳，再夺成皋，气势如虹，拟要继续西进。
讨厌的彭越又像苍蝇一样，嗡嗡地叫着，在项羽的后方飞来飞去，项羽若不回师去救，他就无法无天，为非作歹，到处攻城略地。
一开始，项羽考虑到正面战场战事正紧，忍住没理会。
可是彭越越发猖狂，竟然连续攻克了楚国十七座城池。
真是忍无可忍！
项羽决定回师捻死彭越。
这次回师，十七城失而复得，但彭越又逃之夭夭。
项羽气得吹胡子、瞪眼睛，却又无可奈何。
而让他更加火冒三丈的是，刘邦趁他不在，又迅速地夺回了荥阳、成皋。
等他匆匆赶回荥阳，这几番来回，兵力已疲，竟屡攻荥阳不下。
偏偏刘邦屯重兵于广武（今河南省荥阳市北），倚敖仓（今河南省荥阳市东北）储粮重地，有吃有喝，粮草无忧。而项羽不但兵疲，而且粮尽，前景并不妙。
汉高帝四年（公元前203年），韩信已平定了项羽所分封的魏、代、赵、燕、齐诸国，控制了整个黄河以北的广大区域，并成功清扫了项羽安置在齐地的二十万大军，形成了从北面、东面包围项羽的态势。
九月，项羽眼见胜利无望，被迫接受了刘邦以鸿沟为界、中分天下的建议，同意休兵罢战。
鸿沟是当年秦始皇为了讨伐魏国所开凿的运河，河水从广武山下引，直灌大梁（今河南省开封市），再经陈县、项县向东南合颍水入淮，成为一条中原通往东南的交通运河。
按照约定，鸿沟以西属汉，鸿沟以东属楚。
项羽觉得自己已经做出巨大的让步——这也是无可奈何的事，楚军已智力俱困，再战下去，实在难讨得到什么便宜。
和约告成，双方罢兵，全军庆贺，高呼万岁。
人心已经厌战了，军心也已经厌战！
项羽守约，徐徐引兵东归。刘邦却撕毁了和约，尾随追击！
项羽彻底被激怒，组织反击，双方又对峙在陈郡的固陵（今河南省太康县）。
然而，时势已易，胜利的天平已经明显偏向汉军。