漢高祖二年（前205年），爲了緩解正面戰場的軍事壓力，扭轉“彭城之戰”後漢軍的頹勢，劉邦接受了韓信提出的“分兵三萬，北舉燕趙，東擊齊，南絕楚之糧道”對楚實施戰略包圍的策略，在堅持對楚正面作戰的同時，分兵三萬給韓信，以名士張耳爲輔，命其率軍開闢北方戰場。韓信果然不負衆望，迅速攻滅代國，後又巧設奇計，在井陘口大敗趙軍主力，陣斃陳餘，擒趙王歇，並憑藉累勝之勢遣說客說降燕王臧荼，兵不血刃地拿下燕國，平定了河北之地。
相比漢軍韓信軍的連戰連捷，屯守於“成皋-滎陽”一線、扼守天下嚥喉的漢軍主力卻打得異常地艱苦。滎陽，山東通向關中的重要通道，自古以來就是兵家必爭之地。特別是戰國後期，秦國爲了滿足兼併戰爭的需要，進行戰略東移，將滎陽作爲自己“中分天下、兼併四海”的戰略樞紐，不僅駐有強兵勁旅防守，而且在附近設有囤積大量軍需糧草的敖倉以資軍用。其城西面的成皋，古稱虎牢。北臨河水（黃河），南傍嵩山。城東，汜水由嵩山間向北流入河水，是屏障洛陽、確保關中安全的軍事重鎮。可以說，只要能夠控制“成皋-滎陽”，就等於已經一隻腳邁入了關中腹地。項羽自然深明其中厲害，故而，在“彭城之戰”後，親帥楚軍主力圍攻漢軍，力圖從漢軍手中奪取“成皋-滎陽”之地，藉以攻入劉邦集團的關中根本。因此，漢軍與楚軍在該地展開了一場蕩氣迴腸、曠日持久的戰爭，史稱“成皋之戰”。
交戰之初，張良作爲中國歷史上最爲優秀的謀士，以其敏銳的政治眼光，看出了項羽集團各派勢力間的矛盾，建議劉邦：以政治配合軍事，以進攻輔助防禦，遊說英布倒戈，從南面牽制項羽，配合韓信的北征行動，保障成皋的翼側安全，同時聯絡彭越，襲擾項羽後方，從而遲滯項羽的進攻。同時強調，充分利用好韓信、英布和彭越三名將領是漢軍能否戰勝楚軍的關鍵。這就是歷史上著名的“下邑之謀”。劉邦即按照張良制定的謀略，實施“正面堅持、敵後襲擾、翼側牽制、迂迴發展”的作戰方略，同時讓蕭何經略關中、巴蜀，鞏固後方戰略基地，轉運糧食、輸送兵員，支援前線作戰，通過時間因素，讓關中的強大物質力量發揮出來；還採納陳平的計謀，派遣間諜，以重金賄賂的形式，分化瓦解楚軍，離間楚國的君臣關係，致使後來亞夫范增歸走鄉里。
劉邦集團的這些“伐謀”舉措雖然起到了牽制楚軍、鞏固後方的積極作用，但是正面戰場的形勢依然不容樂觀。項羽看到漢軍的勢力在河北不斷做大，感覺到了形勢的嚴峻，如令漢軍韓信部做大，很可能會使自己處於以孤楚對抗天下的窘境。然而，由於扼守“滎陽-成皋”一線的漢軍劉邦部的存在，楚軍又不能盲目北上，與韓信爭鋒於燕、趙之間，其原因在於一旦楚軍北上，據守於天下心腹之地的劉邦部必然乘勢東進，引兵絕其糧道，斷其歸路。因此，項羽於漢高祖三年（前204年）春，舉全楚之力強攻滎陽進行搏殺，力圖擊破漢軍主力，擒賊擒王，使得各路漢軍不戰自亂，並多次派兵切斷漢軍的糧道，使漢軍劉邦部在補給上出現了很大的困難。時至五月，項羽大軍進逼滎陽，劉邦內乏繼糧、外無援兵，情勢日趨危急。劉邦採納張良的緩兵之計，派出使臣向項羽求和，表示願以滎陽爲界，以西屬漢，以東歸楚，但遭到項羽的拒絕。劉邦無奈，只得採納將軍紀信的計策，由紀信假扮作漢王劉邦，驅車簇擁出滎陽東門，詐言城中食盡，漢王出降，矇騙項羽，而自己則乘機從滎陽西門逃奔成皋。項羽發現自己受騙上當後勃然大怒，燒死紀信，率兵追擊劉邦，很快便攻下了成皋，劉邦倉皇逃回關中。
回到關中後，劉邦在蕭何的幫助下再次招募兵員，因秦民多善戎馬，又恨項羽而親漢王，故很快就徵集到了一支新軍。此時，劉邦打算再次東進，匯同滎陽守軍實施反攻，從項羽手中奪回成皋。而謀士轅生則認爲此舉並非最佳方案，建議劉邦派兵出武關（今陝西商南東南），調動楚軍南下，減輕漢滎陽守軍的壓力；同時，讓韓信加緊經營北方戰場，迫使楚軍分散兵力，之後漢軍再擇機重奪成皋。劉邦欣然採納這一計策，率軍經武關出宛（今河南南陽）、葉（今河南葉縣）之間，與英布配合展開攻勢；與此同時，韓信也率部由趙地南下，直抵黃河北岸，與劉邦及滎陽漢軍互相策應。漢軍的行動果然起到了作用，使得項羽率兵南下，迎擊劉邦。此時，劉邦在扯開楚軍的空當後，卻又轉攻爲守，避免同楚軍進行決戰，而讓彭越加強對楚後方的襲擊。彭越不失所望，進展迅速，攻佔了魯南戰略要地下邳（今江蘇睢寧西北），直接給楚都彭城造成威脅。漢軍這一連串的軍事行動，體現了其指揮團隊雄闊的大局觀與強大的運籌能力。一時間，項羽首尾不能兼顧，被迫回師東擊彭越，劉邦則乘機收復了成皋。
六月，項羽擊退彭越後，立即回師西進，對劉邦發動第二次攻勢，攻佔滎陽，再奪成皋。並繼續西進，抵達今河南鞏縣一帶。劉邦軍倉猝北渡黃河，逃到小修武（今河南獲嘉東），在那裡徵調到韓信的大部分部隊，以支撐危局，增強正面的防禦。連吃敗仗的劉邦吸取了與項羽作戰失利的教訓，命漢軍一部拒守於鞏（今河南鞏縣西南），一部屯駐小修武，深溝高壘、互爲犄角，但均不與楚軍交鋒。同時，派韓信組建新軍東向擊齊，繼續開闢北方戰場，儘快形成對楚的戰略合圍。又命劉賈率領兩萬人馬從白馬津（今河南滑縣北，舊黃河渡口）渡河，深入楚地，協助彭越，擾亂楚軍後方，截斷楚軍糧道。彭越得到劉賈這支生力軍的支援，很快攻佔了睢陽（今河南商丘南）、外黃（今河南杞縣東北）等十七座城池。這就是後人津津樂道的“彭越擾楚”典故的由來。彭越、韓信的軍事行動，給項羽側背造成嚴重的威脅，迫使項羽在九月間停止正面戰場的攻勢，再次回師攻打彭越。項羽臨行前，告誡成皋守將曹咎小心堅守成皋，千萬不要出擊，只要能阻止漢軍東進十五日，自己一定可以擊敗彭越。漢高祖四年（前203年）十月，劉邦乘項羽東去之機，反攻成皋。守將曹咎開始還遵照項羽的告誡，堅守不出，但是經不起漢軍連日的辱罵和挑戰，一怒之下，率軍出擊。劉邦見時機成熟，便揮師大進，重創曹咎所部楚軍於汜水之上，曹咎兵敗自殺，漢軍乘機再奪成皋，並乘勝推進到廣武（今滎陽東北）一線，收敖倉積粟以充軍用，並在滎陽以東包圍了楚將鍾離眜部。
項羽聽到成皋失守，急忙由睢陽帶領主力返回，同漢軍爭奪成皋，與漢軍對峙於廣武，欲與劉邦決一雌雄。可是漢軍依據險要地形，堅守不戰。雙方對峙數月，項羽無計可施。是時，韓信業已攻佔臨淄，齊地戰事吃緊，項羽不得已只好派龍且帶兵二十萬前往救齊，這就更加減弱了正面戰場的進攻力量。到了十一月，韓信在濰水全殲了楚軍龍且部，平定齊國，對楚軍形成了戰略合圍；因彭越遊軍的不斷襲擾，多次截斷楚軍的補給線，楚軍糧食缺乏；同時，英布所部在淮南也有所發展，項羽腹背受敵，既不能進，又不能退，完全陷入了被動，楚漢雙方的強弱形勢已發生根本的變化。項羽見大勢盡去，遂被迫與劉邦議和，以鴻溝爲界，中分天下，爾後引兵東歸。從戰略角度上講，“成皋之戰”以漢勝楚敗而告終。
“成皋之戰”歷時兩年又四個月，楚漢雙方共投入百萬以上兵力。劉邦在“韓信分兵北舉河北、對楚實施戰略包圍策略”的基礎上，整合謀臣張良的建議，利用政治、外交手段，拉攏與項羽有隙的英布和彭越，爲己方平添了兩支奇兵，之後又藉助其二人獨立統兵的能力，或襲擾楚軍後方，或南下楚境進行發展，大大地減輕了成皋正面戰場上漢軍的壓力，從而爲北上的漢軍韓信部爭取了寶貴的時間，最終在韓信平齊之後，成功地對楚形成的戰略合圍。“成皋之戰”中，漢軍指揮集團非常注重政治、軍事、外交的聯合使用和多層次多線路的立體作戰思維，從而達到“正兵”與“奇兵”的密切配合，“主戰場”與“次戰場”的相互支撐，“前方”與“後方”的彼此協調，將“正面相持”、“後方襲擾”、“翼側牽制”和“迂迴發展”有機地結合起來，通過不斷調動削弱楚軍，最終形成了雙方力量的反轉，爲滅楚興漢奠定了堅實的基礎。是役，劉邦廣泛聽取謀臣的建議，知人善任、果斷分兵；韓信、彭越、英布三將獨擋一面，彼此策應；張良、陳平、酈生等謀士奇計迭出、伐謀攻心，將孫子的“謀攻”妙法演繹得淋漓盡致，體現出劉邦集團對於戰爭的整體駕馭能力，堪稱是中國軍事史上繼“長平之戰”後又一經典戰例，非常值得後世學習與借鑑。