楚怀王最后决定，西入关中的作战任务，交给刘邦，项羽则被安排去执行第二个作战计划：解巨鹿城之围。救援巨鹿的援军总指挥是上将军宋义，项羽为次将军。
在很多人看来，刘邦经略关中，胜算非常小，他的兵力只有几千人，这么一支弱小的军队，要千里跃进奔袭秦都，会遇到怎样的艰难险阻呢？但刘邦并没有气馁，他沿途收集了陈胜、项梁的残兵败将，补充兵力。即便如此，他所拥有的全部兵力，仍不足一万人。但这支不起眼的军队，却以无所畏惧的精神，向秦国都城咸阳进军。
所幸的是，秦军最精锐的部队都被调往巨鹿前线，在刘邦西进的同时，宋义与项羽率军增援巨鹿。宋义抱着坐山观虎斗的心态，消极避战，为叔父报仇心切的项羽果断发动兵变，杀死宋义，自任上将军，破釜沉舟，背水一战，冲锋陷阵，以排山倒海的气势，大败秦军于巨鹿城下，此役成为反秦战争之转折点，加速了秦帝国的覆灭。巨鹿之战也成为项羽政治生涯的转折点，一战奠定其军事霸主的地位。
项羽对秦军的牵制，使刘邦得以顺利西进。在西进途中，刘邦的队伍不断壮大，彭越指挥一支千人部队前来投奔，他是一名非常骁勇的将领。紧接着，刘邦得到一位重要的谋士郦食其。与郦食其初次见面时，刘邦正坐在床上，让两个女子为其洗脚，表现得相当傲慢。郦食其不客气地批评道：“足下欲诛无道之秦，不可踞见长者。”刘邦有个优点，就是知错能改，当即向郦食其道歉并尊为上宾。这一明智之举，让他受益匪浅。郦食其属于战国时代纵横家那样的人物，凭着三寸不烂之舌，游说陈留的秦国官员，使刘邦不战而得到这个战略要冲之地，并补给了大量的粮草。同时，郦食其的弟弟郦商也率四千人的部队前来投奔，西征军的力量愈加强大。
刘邦的策略是打得赢就打，打不赢就绕道，其战略目标很明确，就是要确保军队可以长驱直入，最后占领咸阳。要达成这个战略，除了歼灭秦军的有生力量外，最重要是要保存自己的实力。一路上战事不断，西征军在围攻开封、洛阳等大城市时，遇到秦军顽强的抵抗，刘邦都没有采取强攻的战术，而是将这些城市抛在身后，继续挺进。当然，西征军也取得一些重大胜利，先是在曲遇重创秦军，秦军将领杨熊被怒气冲冲的秦二世下令处决，之后又攻克颖川，紧接着又在南阳郡犨县大败秦军，残余的秦军退守宛城。
刘邦打算重施故伎，绕过宛城，继续西行。谋士张良警告他，从宛城西进，地形越加险峻难攻，且秦军的力量仍然很强大，如果放弃宛城，有可能遭到秦军的前后夹击，后果不堪设想。刘邦虽然文化水平不高，但颇具军事天才，他马上意识到张良的警告是对的，立即调整战略部署，重新发动对宛城的进攻。
自宛城向西，就进入战国时代秦国的地界。与东部不同，这里并没有大规模的叛乱，但是百姓对秦的苛政深恶痛绝。刘邦采取了一个极为明智的策略：攻心为上。政治攻略比军事攻略更重要。他宣布只要投降，秦国境内的郡县官员可以留任，禁止士兵掳掠当地的百姓。这一决定对他胜利进军产生了不可估量的作用。宛城投降了，南阳郡长官仍然官居原职。这个消息传开后，附近的秦城纷纷投诚。这些城池的守军也被刘邦纳入西征军的编制之中，西征军的人数从出发时的不足一万人，已经扩大到了数万人之多，且兵不血刃，一路挺进到距离秦都咸阳不远的武关。
