陈仓失守，雍王章邯才感到形势严重，于是立即准备率军夺回陈仓，塞王司马欣、翟王董翳两人也作好了支援雍军的相应准备。
章邯率军驰援陈仓，汉雍两军于陈仓附近展开交战，章邯军以轻车列阵，汉军先锋猛将樊哙率部猛冲，一举攻破章邯军。雍王军首战失利，章邯率部分别向废丘和好畴两个方向撤退。
韩信判断，往废丘撤退的应为雍王章邯所率的雍军主力，而退往好畴的则为雍将章平指挥的一部。废丘为雍国首都，章邯久经战阵，作战经验丰富，废丘城不容易迅速攻下，若旷日持久，对军心士气显然会产生不好的影响；好畴为废丘的战略侧翼，互为犄角，可呼应支援，同时也可等待塞王、翟王援军的到来。虽然章平也是能征惯战之将，但由于他手中的兵力不多，所以相对容易攻克，如果能先攻下好畤，再攻废丘，那就容易多了。于是韩信决定缓攻废丘，把重点进攻的矛头指向好畴，而派部分兵力警戒、牵制塞王和翟王派来的援军。
于是，汉军分道前进，曹参率军追击章平军，在好畤城南展开激战，章平战败，只好退入好畤城固守待援。
汉军随即围攻好畤城。正当汉军围攻好畤城之时，司马欣派将军赵贲率军驰援废丘，董翳也派军向泾水地区急驰。章邯得到塞、翟二王的援军后，率领三秦军队沿渭水西进，与汉军战于壤乡（今陕西武功东南）附近。两军经过一番激战，三秦军大败而去，章邯只得率领败军再度退守废丘。
当章邯率领三秦军在壤乡与汉军大战时，进攻好畤的曹参留下周勃率军继续攻打好畴，他自己则率军前往壤乡救援，迎击塞、翟两军。打败三秦军后，曹参又转向好畤。此时樊哙的军队也到达了好畤，与曹参等部合兵一处。不久，韩信也赶到了，各路军队在他的统一指挥下对好畴展开了围攻。樊哙率部奋勇先登，汉军其他各部也蜂拥登城。章平虽也是能攻善守的猛将，无奈独力难支，被迫弃守好畤，向北地退却，汉军占领了好畤城。
随后，韩信以樊哙所部围攻废丘，派曹参率部进攻咸阳。驻守咸阳的赵贲和内史保等部起而应战，被曹参击破，曹参攻占咸阳，进驻景陵。支援废丘的塞王司马欣则派主力军会同章平反攻景陵，经过一番激战，也被曹参率军击败。不得已，章平等只好率军向漆地撤退，曹参挥军追击。此时雍王章邯及翟王董翳又派援兵增援章平，于是章平率军于漆地反击曹参，曹参军连战不利，几乎到了力不能支的地步，然而正在危急时刻，周勃率领援军赶到，两军合力击败章平、姚卬所部，然后向西平定汧陇地区，并在回军途中攻克郿县和频阳，随即率军加入了围攻废丘城的战斗。
其他各路大军在韩信的指挥调度之下，向三秦各地展开攻击，进展非常迅速。
灌婴所部则奉命对塞国的都城栎阳展开进攻。由于塞王司马欣以主力援救雍王章邯失败，损失惨重，而且他压根儿也没有想到刘邦离开关中前往汉中，从离开到回来居然不到四个月的时间，也没有想到刘邦军队有如此强的战斗力。所以，他毫无准备，也来不及准备。见灌婴大军兵临城下，司马欣无力应战，只好向汉军投降。
靳歙则奉命率军向陇西进军，击破了陇西方面的雍军，继而平定了陇西所属各县。
郦商所部奉命进击雍军别将周类据守的乌氏、栒邑、泥阳等地，进展颇为神速，继而平定北地郡所属各县，在攻克北地时，俘获了雍军大将章平。
于是，汉军分道进击，兵抵上郡，翟王董翳无力抵抗，向汉军投降。三秦属地基本平定，韩信集中兵力展开对废丘的围攻战，此时的废丘已成了名副其实的孤城。
雍王章邯退守废丘，奋力作战，汉军久攻不下，顿兵坚城。
此时，关东的形势也发生了急剧的变化，由于项羽分封诸侯不公，那些对他心存不满的诸侯纷纷反叛他，使他陷入了四处征讨的漩涡中，根本无暇顾及关中地区的事情。此时汉军在关中地区已经取得了决定性的胜利，刘邦认为东出函谷关与项羽争夺天下的时机已经成熟。于是刘邦决定，由韩信继续指挥围攻雍国都城废丘的重任，他自己则领军出关，率领塞王、翟王、河南王、魏王、殷王等五诸侯的人马合计56万兵力，联合燕、赵等国，趁项羽率主力与齐国恶战之际，乘虚直捣彭城，并很快占领了彭城。
正与齐国酣战的项羽听说彭城失守，立即挥师反攻彭城，与刘邦在彭城展开激战，项羽不愧是作战天才，刘邦根本不是他的对手，在项羽的一阵猛攻下，汉军几乎全军覆没，连刘邦的父亲太公和夫人吕雉都做了俘虏，若不是追击刘邦的人念及故旧之情，刘邦自己恐怕也成了阶下囚。
彭城之战失败后，刘邦退守荥阳，派太子刘盈回到关中，驻守栎阳（原翟国都城），诸侯的子弟凡在关中的都齐集栎阳，协助太子共同守卫栎阳城。
韩信听说刘邦兵败退守荥阳，处境极为不利，决定尽快彻底结束关中的战事，把关中变成刘邦与项羽争雄天下的稳固的大后方。此时的废丘城攻守战已经历时10个多月，处于绝望中的章邯似乎又恢复了当年镇压陈胜、吴广军的勇气，守城的雍军在他的指挥调度下相当顽强，韩信认为如果不采取特殊措施，很难攻克此城。汉王二年（公元前205年）六月，韩信命樊哙掘开渭水河堤，引水冲击城垣，城墙崩溃，汉军乘势攻进城内。章邯见汉兵进城势不可挡，知道已无力回天，拔剑自杀。汉军攻占了废丘城，至此雍国属地全部被平定，三秦之地完全为刘邦所有。
在平定三秦期间，韩信还奉刘邦之命挥师东进，攻打韩国，以迅雷不及掩耳之势，打败并俘获了项羽新立的韩王郑昌，将韩国纳入刘邦的势力范围。于是，刘邦立原韩国太尉韩信（和大将军韩信不是一个人）为韩王，是为韩王信。
韩信彻底平定三秦以后，立即率兵前往荥阳与刘邦会合，在京、索一带击败楚军，暂时稳定了荥阳的局势。
灭魏国，俘魏王
彭城之战，刘邦遭遇了惨败，由他组织起来的反项联盟很快瓦解，殷王司马卬战死，塞王司马欣、翟王董翳趁机倒戈，跑到了项羽那里，河南王、赵王、燕王、代王等也纷纷抛弃刘邦，与项羽结成盟友。魏王豹跟随刘邦退至荥阳，他看到刘邦失败后的狼狈相，认为刘邦再也无法振作起来，便打算背叛刘邦、投降项羽。为了稳妥起见，并摆脱刘邦的监视，这年6月，他找了一个很好的借口向刘邦请假，说母亲病了，要回家探望一下。刘邦当然不能拒绝，准假让他回家探病。可是，他一渡过黄河，马上就在河上设防，举起反汉大旗，背叛刘邦，投降了项羽。
魏王豹的叛变使刘邦感到非常震惊，因为魏地正好在荥阳战线的侧后方，如果项羽与魏王豹联合，前后夹攻，后果不堪设想。因此，这件事必须趁项羽还没有回过神来时，尽快加以解决。幸好，此时的项羽正受到已经归附刘邦的彭越、英布以及其他一些诸侯军队的骚扰，忙于四处征讨，没有顾上这一点。否则，刘邦的处境将非常不妙。
不过，此时刘邦也抽不出兵力对付魏王豹，于是便想通过和平的方法加以解决。他把手下第一说客郦食其找来，向他许诺说：“你若能说服魏王豹，我就封你为万户侯。”
郦食其前往魏地，对魏王豹晓以利害，希望他不要背叛刘邦、投降项羽。魏王豹虽然对郦食其的忠告表示感激，但由于他对刘邦非常反感，坚决不愿再与他结盟。他对郦食其说：“刘邦对待诸侯和群臣傲慢无礼，常把我们当成奴隶一样随便辱骂，寡人实在受不了他的窝囊气，这辈子再也不愿见到他。”
刘邦听了郦食其的汇报，非常生气。此时韩信已经彻底结束了关中的战斗，并率军前来与他会合，于是，他决定让韩信率军攻打魏国，教训一下魏王豹。
郦食其此次游说虽然无功而返，但也带回了不少有用的军事情报。
刘邦问郦食其：“魏国的大将是谁？”
郦食其回答说：“是柏直。”
刘邦一听，心中就有数了，继而说道：“他是个乳臭未干的小子，翻不起什么大浪，我派韩信为大将，他绝不是对手。”
又问：“统领骑兵的将领是谁？”
郦食其回答说：“冯敬。”
刘邦对冯敬也很了解，于是对郦食其说：“他是秦将冯无择的儿子，人品不错，可惜没有战斗经验，他敌不过灌婴。”接着又问：“统领步兵的将领是谁？”
郦食其回答：“项它。”
刘邦不假思索地说：“他更不是曹参的对手。从魏王豹这几个将领的组成上看，我们有必胜的把握。”于是刘邦任命韩信为左丞相，率领曹参、灌婴前往攻击魏国。
当然，从刘邦与郦食其的一问一答中，我们也可以看出，刘邦虽然不是用兵打仗的能手，但是其审时度势和知人善任的能力确实非常人能比，难怪后来韩信会说“我会带兵，陛下您会带将”。这也是刘邦能屡败屡战，由弱变强的重要原因之一。
韩信奉命出征，他在出兵之前和刘邦一样，也找来郦食其，向他了解魏国将帅的情况。当他听说魏王豹不用有战争经验的周叔而用柏直为大将时，心里马上就有了制敌之策。
在柏直看来，韩信此来一定会在最近的渡口临晋（今陕西大荔县东）渡过黄河，所以便将主力军布置在蒲坂（今山西永济县西）一带。韩信一见柏直把主力部署在蒲坂，便将计就计，故意在临晋放置船只，设置疑兵，摆出一副要从这里渡河的架势，以此迷惑魏军。柏直发现韩信在临晋大张旗鼓地准备战船，更加坚信韩信会在临晋渡河，便进一步调集重兵，加强蒲坂的防线，却放松了对其他渡口的警备。
韩信却将部队主力埋伏在夏阳（今陕西韩城县）一带，并在短时间内筹集和制作了大量的简易实用的渡河器械——木罂缶。这是一种口小腹大的木桶，泅渡时缚在士兵身上，借以增加浮力。一切准备就绪后，韩信一声令下，大军随即展开偷渡行动，并很快渡过黄河，突然袭击安邑。魏王豹对此毫不察觉，也毫无准备，见汉军突然来袭安邑，在惊慌之间仓促应战，很快就兵败被俘。
俘获魏王豹后，魏国军心顷刻瓦解，韩信大军所到之处无不望风投降，魏国很快就被平定，并入了刘邦的势力范围。
韩信擒获魏王豹后，把他送到荥阳前线让刘邦发落，由于魏王豹表示诚心悔过，刘邦从大局出发，打算再一次团结他，就把他留在荥阳，没有杀他。但后来项羽围攻荥阳，刘邦逃出荥阳后，守城将领周苛、枞公认为这个曾经背叛汉王的魏王豹靠不住，难以与他一起守城，于是，就把他杀了。
韩信灭掉魏国，根据刘邦的意思将魏国一分为三，设置了河东、太原、上党3郡。
随后，韩信向刘邦建议，拨给他3万人马北上攻击代、赵，平定燕、齐，南绝项羽的粮道，从侧面牵制项羽的力量，以减轻荥阳战场的压力。刘邦同意了他的计划，并派已投奔自己的常山王张耳为其助手，领兵3万，开始了北伐行动。
擒夏说，灭赵国
刘邦之所以派张耳为韩信的助手，是有他的考虑的。在此有必要简单介绍一下张耳这个人。
张耳是大梁人，他年少年时，曾做过魏公子信陵君的门客，因为犯事逃命，并流窜到了外黄一带。外黄有一个富人家的女儿，长得很漂亮，却嫁了一个庸俗的丈夫。她心有不甘，于是逃离丈夫，投奔到她父亲的一个朋友家。她父亲的这个朋友非常了解张耳，对她说“如果你一定要找个好丈夫，那么你就嫁给张耳吧！”那女子听了，便请她父亲的这个朋友出面向男方了结此事，然后改嫁张耳。这时的张耳已经恢复了人生自由，女方给了他雄厚的资财。张耳本来就乐善好施，婚后有了钱，更是出手慷慨，广泛交游，于是很快就名满天下，还弄了一个官当。刘邦还是平民的时候，也曾经跟张耳多次交游，并且常在张耳家一住就是好几个月。
当时，大梁有个叫陈余的人，喜欢儒学，在当地小有名气。陈余年少的时候开始与张耳交游，相处非常融洽，张耳年长，陈余便用对待父亲的礼节对待张耳，于是，“两人相与为刎颈之交”，结成了生死不渝的交情。
陈胜、吴广起义后，张耳和陈余都参加了陈胜的政权。二人奉陈胜之命跟随陈胜的部将吕臣北上攻打赵国，很快就平定了赵国的广大地区，于是吕臣自立为赵王，以张耳为右丞相，陈余为大将军。后来，吕臣的部将李良发动兵变，杀死吕臣。张耳、陈余因为在赵国耳目众多，得以逃脱性命，然后召集部下反攻李良，李良投降秦将章邯。张耳、陈余访求原赵国王室后裔，找到了一个叫赵歇的人，立他为王，是为赵王歇。
不久，秦将章邯率兵攻打邯郸，赵军抵挡不住章邯的攻势，张耳和赵王歇逃到了巨鹿城，组织兵马继续抵抗。秦国名将王离率军围攻巨鹿，陈余在北方收容常山一带的兵马几万入前来救援，驻扎在巨鹿城北。王离攻城甚急，巨鹿城中兵少，粮食将尽。张耳数次遣使让陈余对秦军发起进攻，以解巨鹿之围，然而陈余自认为兵力太少，慑于秦军强大的威势不敢出兵。巨鹿危在旦夕，幸亏项羽破釜沉舟，及时赶到，击破王离军，又连败章邯，迫使章邯投降，赵国才得以保全。张耳认为陈余当时手握重兵而不救，于是二人产生了隔阂。
巨鹿之战后，张耳跟随项羽入关破秦，陈余却不愿前往。后来项羽分封诸侯时，便封张耳为常山王，治理赵王歇统治的地方，而把赵王歇改封为代王。陈余因为没有跟随项羽入关，加上巨鹿之战时的不良表现，项羽只封给了他三个县。
张耳来到自己的封国就国，陈余非常不满，认为自己的功劳和张耳大体相当，分封却如此悬殊，于是，他派夏说去联合已占领齐国却又得不到项羽承认的田荣，说事成之后，将来愿和他联合起来对付项羽。田荣在天下诸侯中此时正处于孤立境地，一听夏说这么说，当即表示同意，发兵增援陈余，共同攻打张耳。张耳抵挡不住，前往投奔刘邦。此时，刘邦正平定三秦，围攻章邯于废丘。由于刘邦与张耳是故交，故人来投，自然待之甚厚。更重要的是张耳是名正言顺的诸侯王，他来投自己，从政治舆论上讲对自己是非常有利的。