前因
定陶之战：项梁身死，反秦联盟濒临崩溃。
公元前208年闰九月至公元前207年七月，项羽率领六万楚军，同秦将章邯、王离所率四十万秦军主力在巨鹿展开决战，史称巨鹿之战。
第一步，楚义帝兵分两路，共克秦军
章邯在定陶之役打败项梁军队以后，犯了一个致命的错误，那就是他认为楚国主力已经被消灭，其他的楚国军队不值得忧虑了。在慎重考虑后，章邯渡过黄河，进攻看似对秦朝威胁更大的赵国。大败赵军。
赵国一方，赵王赵歇，国相张耳，都逃进了巨鹿城。陈余作为赵国的大将，率领几万名士卒驻扎在巨鹿北边，这就是所谓的“河北军”。赵国岌岌可危，走投无路之下向楚军屡屡求救。
秦国一方，章邯命令王离、涉间包围巨鹿，自己的军队则驻扎在钜鹿南边，筑起两边有墙的甬道给他们输送粮草。
这时候情况非常危急，如果秦军真的打下了巨鹿，那么秦军的气焰会更加嚣张，反秦联盟反而会每况愈下，甚至是彻底被消灭。
楚国一方此时正乱成一团。本来只是项梁傀儡的后楚怀王开始自己做决策。有了项梁的前车之鉴，楚怀王觉得宋义很厉害，所以在不断接到赵国的求救之后，便以宋义为上将军、项羽和范增为副将，率军6万北上救赵，同时派刘邦率领小部分军队向西进攻关中，并许诺“先入定关中者王之。”
第二步，“上将军”之争
公元前207年，宋义带领着庞大的楚军，到达战场附近后停下，一停就停了46天。
项羽对此非常不满，他说：“秦军就围在巨鹿城外，碰到这样危急的情况，应该尽快渡河。到时我们再与赵国里应外合，就可以破秦军了。”
但宋义私下自有计较，他想等秦赵相斗的时候坐收渔翁之利，所以他跟项羽说：“夫被坚执锐，义不如公；坐而运策，公不如义。”以此反讥项羽有勇无谋，还下令军中：“有猛如虎，狠如羊，贪如狼，强不可使者，皆斩之！”暗示，如果不听话就杀死项羽。
在等待的四十几天里，宋义派遣儿子宋襄到齐国出使，他大张旗鼓地给自己的儿子办了一场欢送会，一直送到了无盐，在那里“饮酒高会”。当时天气寒冷，天降大雨，士卒饥寒不堪，又因宋义迟迟不发兵，还给自己儿子办酒席……项羽利用这一点激起了士兵对宋义之不满。
十一月，在宋义按兵不动之第47个早晨，项羽直入其帐中，斩其头示众，向士卒宣布：“宋义与齐谋反楚，楚王阴令籍诛之！”诸将皆曰：“首立楚者，将军家也，今将军诛乱。”
后来，大将桓楚携宋义父子首级报告后楚怀王，后楚怀王也只好任命项羽为上将军，继续率兵救赵。
第三步，项羽破釜沉舟，解巨鹿之围。
项羽杀了宋义之后，立刻派手下的当阳君和蒲阳君出兵渡河解救巨鹿。这两人刚开始跟秦军对战时并没有获胜。于是，项羽就做出了他军事行动上最大胆的决定——他将河流南岸的军队全部带过河，不留后备军，渡河之后还把船给沉了，锅也打碎，所有士兵身上只留下三天的口粮，“以示士卒必死，无一还心。”
楚军破釜沉舟，九战九捷，大败秦军，俘秦主帅王离，副帅涉间自焚，秦勇将苏角被项羽亲自击杀。章邯因得不到秦二世跟赵高的支援被困，后见大势已去，被迫在洹水南殷墟（今河南安阳）率秦军20万投降。
情势一下子被扭转过来。
巨鹿之战后，项羽声威大振。诸侯派来的将军进到项羽的大帐中，“无不膝行而前，莫敢仰视”。此战之后，项羽由此从楚国的上将军，被各路诸侯推举为整个联盟的上将军，统兵40万，继续反秦事业。
后果
项羽一战成名，成为反秦联盟核心，开始称霸之路。与此同时，刘邦君临灞上，先入关中。项羽怒极，杀奔咸阳而来。
结论：这一战奠定了项羽楚霸王的地位。这是项羽在军事上的最高峰，也是中国古代史中以少胜多的著名战役。