項梁在整頓了軍隊以後，接連打了幾個勝仗，打敗了秦朝大將章邯。項羽、劉邦帶領另一支隊伍，殺了秦將李由。項梁驕傲起來，認為秦軍沒有什麼了不起，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。項羽、劉邦也只好退守彭城。
章邯打敗項梁，認為楚軍大傷元氣，就暫時撇開黃河以南這一頭，帶領秦軍北上進攻趙國（這個趙國不是戰國時代的趙國，而是新建立起來的一個政權），很快就攻下了趙國都城邯鄲，趙王歇逃到巨鹿（今河北平鄉西南）。
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。
趙王歇幾次三番派人向楚懷王求救。當時，楚懷王正想派人往西進攻咸陽。項羽急於想為叔父報仇，要求帶兵進關。
懷王身邊有幾個老臣暗地對懷王說：「項羽性子太暴躁，殺人太多；劉邦倒是個忠厚人，不如派他去。」正好趙國來討救兵。楚懷王就派劉邦打咸陽，另派宋義為上將軍，項羽為副將，帶領二十萬大軍到巨鹿去救趙國。
宋義帶領的大軍到了安陽（今河南安陽東南），聽說秦軍聲勢浩大，就命令楚軍停了下來，想等秦軍和趙軍打上一陣，讓秦軍消耗掉一部分兵力，再進攻過去。
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。」
他還下了一道命令：「將士中如有不服從指揮的，就得按軍法砍頭！」
這道命令明明是針對項羽的，項羽氣得要命。這時候已經是十一月的天氣，北方天冷，又碰著大雨。楚營裡軍糧接濟不上，兵士們受凍挨餓，都抱怨起來。
項羽說：「現在軍營裡沒有糧食，但是上將軍卻按兵不動，自己喝酒作樂，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。」
將士們大多是項梁的老部下，宋義在將士中本來沒有什麼威望。大伙見項羽把他殺了，都表示願意聽項羽指揮。
項羽把宋義被處死的事，派人報告了楚懷王。楚懷王雖然很不滿，也只好封項羽為上將軍。
項羽殺了宋義以後，先派部將英布、蒲將軍率領兩萬人做先鋒，渡過漳水，切斷秦軍運糧的道，把章邯和王離的軍隊分割開來。然後，項羽率領主力渡河。
渡過了河，項羽命令將士，每人帶三天的乾糧，把軍隊裡做飯的鍋子全砸了，把渡河的船隻全鑿沉了（文言叫做「破釜沉舟」，釜就是鍋子），對將士說：「咱們這次打仗，有進無退，三天之內，一定要把秦兵打退。」
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，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。
當時，各路將領來救趙國的有十幾路人馬。可是他們害怕秦軍強大，都紮下營寨，不敢跟秦軍交鋒。這回兒，聽到楚軍震天動地的喊殺聲，擠在壁壘上看。他們瞧見楚軍橫衝直撞殺進秦營的情景，嚇得伸著舌頭，屏住了氣。趕到項羽打垮了秦軍，請他們到軍營來相見的時候，他們都跪在地下爬著進去，連頭也不敢抬起來。
大家頌揚項羽說：「上將軍的神威真了不起，自古到今沒有第二個。我們情願聽從您的指揮。」
打那時候起，項羽實際上成了各路反秦軍的首領。