沛公投靠项梁一个多月后，项羽这个时候也打下襄城（襄城具体在哪儿，至今无定论，有人说在今天的淮北）回来了。这个襄城一战项羽打得很艰难，竟然打了一个多月才拿下，城破后，项羽坑杀了全城军民，显露了他残暴的本性。项梁闻听陈胜已死的确切消息，于是在薛县召集诸将来商量大事，这时沛公正在沛县，也参加了这次会议。
有个年届七十的居巢（今巢湖市）人范增，平常在家闲居，好出奇计，这时候去游说项梁说：秦灭六国，楚国最无辜，自从楚怀王到秦国后就没有回来，楚国人直至今日还怀念于他，所以楚南公（秦末楚国人，善言阴阳，说兴废之数）说“楚虽三户，亡秦必楚”。陈胜首先起事，不立楚国后人而自立为王，他的势力不会持久，失败本来就理所当然的。现在你于江东起兵，楚地百姓蜂起而归附于你，是因为你家世代为楚将，能够复立楚国的后代的缘故。
项梁觉得范增的话很有道理，就派人找寻楚国后人，最后在民间找到了替人家放羊的楚怀王的孙子叫熊心的，于是也立他为楚怀王，顺应百姓的愿望。任命陈婴为上柱国，赐封五个县的土地，跟随怀王建都于盱台（今江苏盱眙）。项梁则自号为武信君，并封英布为当阳侯。
过了几个月，项梁带兵攻打亢父，跟司马龙且（与项羽是发小，也是一员猛将）的军队一起营救在东阿（今山东东阿）的田荣。田荣是齐国的后裔，齐国被秦灭后，田荣与堂兄田儋、堂弟田横隐居于狄县（今山东高青县东南）。陈胜吴广起事后，陈胜派周市（就是收编雍齿的那个人）攻打魏地，魏地拿下来后，周市又带兵向东打到了狄县。田荣的堂兄田儋趁机杀了狄县县令，并自立为齐王，以齐国的名义来反秦，但是他又不愿接受周市的收编，就与周市的军队对着干起来了，周市的军队被击溃，退守魏地，这才有周市拥立魏咎为魏王这一出。
周市的军队撤走后，田儋转兵东进，平定了原齐国的地方。不久，秦将章邯带兵攻打魏王咎，把魏咎的军队包围于临济（今山东高青县东南，与狄县很近），情况很危急，魏咎就派人向齐国求救，齐王田儋于是率兵前来相救，结果齐魏联军大败，齐王田儋也在临济城下被杀，在这种情况下，田荣不得不收拾齐国残军向东逃到东阿。
再说项梁和司马龙且率军营救逃到东阿的田荣，在东阿大败秦军后，本来田荣可以继续跟项梁联军西进击秦，但这时候齐国内部又发生一些变故：齐国人闻听田儋率兵救魏战死的消息，又急乎乎地立以前齐王田建的弟弟田假为齐王，田角为相国，田间为将军，来抗拒诸侯。田荣闻知此事，非常怨愤，于是率军回到齐国，驱逐新立的齐王田假。这样，田假就逃到了楚国，相国田角和将军田间逃到了赵国。田荣又立田儋的儿子田市为齐王，田荣自己则做了相国，田横为将军，再次平定齐国之地。
田荣之事暂且不表，项梁在救援东阿大胜后，亲率楚军继续追赶败军。又派沛公和项羽另带兵攻打城阳（今山东青岛）。城阳被打下后，进行了屠城（这可能又是项羽干的好事）。项梁的主力部队先在濮阳县（河南濮阳）东击败秦军，秦军重整军马，守住了濮阳，并引黄河河水环城自卫。楚军一时攻打不下，转而攻打定陶（今山东菏泽），定陶又没攻下。沛公和项羽军队这时候也向西攻打，来到雍丘（今河南杞县）城下，在这里大败秦军，并斩杀了三川郡郡守李斯之子李由。继而沛公与项羽回军攻打外黄（今河南民权），外黄没能攻下。而项梁所帅的军队又再次战胜，项梁因此有骄傲之色。项梁手下有个叫宋义的，原是楚国令尹，也懂一些军事，就劝项梁不要轻敌，项梁不听。
项梁率军向西追击秦将章邯的过程中，章邯的军队却日益扩充，在这种情况下，项梁只好派使者去请求齐王和赵王派兵来增援。齐国新任相国田荣就提要求了：楚国只有杀掉躲藏在此的田假，赵国杀掉田角、田间，齐国才肯出兵。那个做过放牛娃的楚怀王就不同意，认为田假是友邻之王，窘迫时来投奔于我们，杀他不义如此云云。（有点迂腐，谁是合法的齐王，乱世很难说。）那个赵王（赵歇）也不同意杀田角、田间。齐王又派人来警告他们说，你们这样做不值得，会为了这个小事而伤了和气，并且大敌当前，咱们这样相互伤害无异于自掘坟墓。楚怀王和赵王还是不听，这样齐国就很生气了，不肯发兵来相助。结果，章邯在定陶，通过夜里让士兵嘴里衔小木棒，不让士兵发声悄悄偷袭的方式，大败项梁军，项梁战死。
项梁战死于定陶之时，沛公和项羽正在攻打陈留（今河南开封），听说项梁已死，也无心再战，只有撤军去保卫楚怀王。途中经过陈县（就是陈胜称王之处），沛公和项羽邀请陈胜旧部吕臣共赴江东。原来吕臣在陈胜被害后，组织苍头军，收复陈县，并杀死了杀害陈胜的车夫贾庄，重建了楚国。吕臣答应了他们的请求，于是一起东进，并且驻扎在彭城东面，项羽的军队驻扎在彭城西面，沛公的军队驻扎在砀县。
秦二世三年，即公元前207年，失去了项梁的楚怀王很是害怕，把都城从盱台（盱眙）迁到彭城，并合并吕臣和项羽的队伍亲自统帅。又任命沛公为砀郡长，封武安侯，统领砀郡的军队。封项羽为长安侯，称为鲁公。任命吕臣为司徒，任其父吕青为令尹。这可能是这位放牛娃出身的楚王第一次做这么大的一个部署了，之前他实际是个傀儡。现在项梁死了，他似乎能当家做主了。但他也许没有意识到，他身边有一只会吃人的老虎，这只老虎就是项羽。
再说打了胜仗的章邯，认为项梁已死，楚地兵力不足虑，于是他带兵渡过黄河，向北攻打赵国，赵国大败。在巨鹿（今河北邢台），秦将王离（名将王翦之孙）把赵王歇围在城内，情势十分危急，赵国于是多次向楚国求援。楚怀王还挺熊心勃勃的，在准备派兵向北弛救赵国的同时，又准备派一支军队向西攻入秦朝的老巢——关中。他还和诸侯约定，谁先入关者，就让他做关中之王。
打秦军老巢——关中，其他将领都不看好，认为目标太大，不一定有利可图。项羽报叔父项梁之仇心切，急着去灭秦，沛公想着久居人下也非长久之计，出兵关中或可是一条生路，所以两人都想去。这个时候楚怀王手下的老将们就展开了一场讨论，认为项羽为人凶悍奸猾，所过之处，不是坑杀就是屠城，口碑太差。应该选一名忠厚长者，扶持仁义，入关后向秦地父老兄弟讲明道理，以德服人，关中何愁不破。而刘邦素来宽大，他们认为是最合适的人选，断断不能让暴躁凶悍的项羽去，他去了只能坏事。楚怀王也比较倾向于让刘邦去，所以没有答应项羽的要求，这样刘邦就率军向西准备开赴关中了。。
刘邦投奔项梁，并与项梁叔侄合作的阶段，史书上没有很详细的记载，但是根据这件事来看，刘邦一直在做笼络人心的工作。他宽厚待人的做事风格让怀王手下的将领很是欣赏，所以他才得以成为进军关中的合适人选。包括他对项羽，虽然年龄上可以做项羽的父亲，但是他处处都以谦卑的态度事之，所以总体上这段时间刘邦和项羽还是处出了感情的，以致于鸿门宴上，项羽不忍心杀掉刘邦，除了他认为刘邦的实力还不足以对他构成威胁外，之前合作时期建立的感情也应该起了不小的作用。
再说楚怀王，决定了去关中的人选后，任命那个曾向项梁提建议的宋义为上将军，项羽为次将，范增为末将，北进援赵，这样就拉开了巨鹿之战的序幕。