整頓了軍隊以後，項梁接連打了幾個勝仗，打敗了秦朝大將章邯。於是放鬆了警惕。章邯重新補充了兵力，趁項梁不防備，發動了猛烈的反撲。項梁在戰鬥中被殺了。
秦二世三年（公元前207年），秦將章邯派秦將王離把巨鹿包圍起來，自己帶領大軍駐紮在巨鹿南面的棘原。他還在棘原和巨鹿之間修築了一條糧道，給王離軍運送糧草。義帝楚懷王派宋義為上將軍，項羽為副將，率起義軍救趙王歇。宋義按兵不動，在安陽一停就是四十六天。項羽耐不住性子，去跟宋義說：「秦軍包圍了巨鹿，形勢這樣緊急，咱們趕快渡河過去，跟趙軍裡外夾擊，一定能夠打敗秦軍。」
宋義說：「我們還是等秦軍和趙軍決戰以後再說。」他又對項羽說：「上陣跟敵人交鋒，我比不上你；要說坐在帳篷裡出個計策，你就比不上我了。」
項羽說：「現在軍營裡沒有糧食，但是上將軍卻按兵不動，這樣不顧國家，不體諒兵士，哪裡像個大將的樣子。」
第二天，項羽趁朝會的時候，拔出劍來把宋義殺了。他提了宋義的頭，對將士說：「宋義背叛大王（指楚懷王），我奉大王的命令，已經把他處死了。」
殺死宋義後，項羽奪得軍機。領導起義軍渡過漳水，破釜沉舟，只帶三天乾糧，表示血戰到底的決心。項羽的決心和勇氣，對將士起了很大的鼓舞作用。楚軍把王離的軍隊包圍起來，個個士氣振奮，越打越勇。一個人抵得上十個秦兵，十個就可以抵上一百。經過九次激烈戰鬥，殺死秦將蘇角，活捉了王離，其他的秦軍將士有被殺的，也有逃走的，圍巨鹿的秦軍就這樣瓦解了。
巨鹿大戰後，項羽實際上成了各路反秦軍的首領。