春，汉王部五诸侯兵，凡五十六万人，东伐楚。项王闻之，即令诸将击齐，而自以精兵三万人南从鲁出胡陵。
——《史记·项羽本纪》
在刘邦传檄各路诸侯之后，除了燕王臧荼、九江王英布、衡山王吴芮和临江王共敖仍在观望之外，其余各地全部都加入了反楚的行列，形势对于项羽来说极度不利，刘邦认为灭楚时机已到，于是兵分三路大举攻楚。
北路由曹参统率，率领周勃、樊哙、灌婴和赵军等部，由河内郡朝歌向东南进军，经陈郡和砀郡北部入薛郡，从北面攻打西楚都城彭城。
南路由薛欧、王吸、王陵等部组成，由南阳郡宛县向东进军，东攻陈郡后入泗水郡，从西南方向进攻彭城。
中路军由刘邦亲自统率，率领夏侯婴、卢绾、靳歙、司马欣、董翳所部，连同殷王司马卬、常山王张耳、河南王申阳、韩王韩信、西魏王魏豹等诸侯联军，以张良为军师，陈平为参乘，自洛阳出发，东攻砀郡然后入泗水郡，从西面向彭城发动进攻。
此前，在河南王申阳、韩王郑昌、西魏王魏豹、殷王司马卬投降刘邦之后，担心刘邦趁机率兵东进攻打西楚的项羽，为了御敌于国门之外，便已经命人从西楚征调兵马，于西部构筑防线，其中以宗族将领项佗为主将，以龙且为副将驻守东郡重镇定陶，另以别将分别驻守砀郡以西的曲遇和陈郡北部的阳夏，以抵御刘邦的东进。同时，项羽下令加强对齐地叛军的攻势，以期尽快平叛增援西部防线。
汉二年（前205年）春，在各路大军准备停当后，刘邦三路大军开始向东进攻。
北路方面，曹参率领大军进入东郡，自东郡围津（即白马津）渡过黄河后，派樊哙攻取定陶西部的煮枣邑，击败楚将王武程，自己则与灌婴等人率主力进攻重镇定陶，于定陶南大破楚军，楚将项襄兵败投降，项佗、龙且率残兵向东逃窜。攻克定陶之后，曹参命樊哙南下外黄与刘邦率领的主力会合，自己则与灌婴、郦商继续追击项佗、龙且败军，一路追到了薛郡南部的胡陵，得知刘邦大军已经抵达彭城以西的萧县后，率军前往会合。
南路方面，王陵、薛欧、王吸率军在阳夏击败楚军后继续东进，在没有遇到多少抵抗的情况下便攻入了泗水郡南部，后率军北上萧县与刘邦主力会师。
中路方面，刘邦以周勃为前军，大军攻破曲遇后一路势如破竹继续东进，于外黄遇到了前来会师的樊哙，以及率领三万多军队前来投奔的彭越。
当初，彭越在归附田荣后，出兵攻打西楚，项羽则派萧公角抵御彭越，彭越虽然击败了萧公角，但田荣却在不久后被杀，重新成为了无主之将的彭越，只好率部退回了巨野泽一带。直到听说刘邦率领数十万大军东进，想到两人曾在昌邑并肩作战，这才率军来投。
由于彭越本是魏人，刘邦便对其说道，“彭将军如今收复魏国故地城池十余座，急于拥立魏王的后代。魏王豹作为魏王咎的堂弟，乃是真正的魏王后代”，于是任命彭越为魏相，彭越因此率军跟随刘邦东进。
之后，刘邦率领大军继续东进，在击败砀县和萧县的楚军后，会集南北两路汉军，对楚都彭城发动进攻。
彭城作为西楚都城，虽然城高墙阔防御工事完备，但由于项羽的主力仍被牵制在齐地，仅剩的楚军精锐也在刘邦大军东进过程中被击败，如今城中仅剩老弱残兵数千驻守，面对刘邦数十万大军的围攻，根本无力抵御，刘邦仅用数日，便于同年四月攻陷了楚都彭城。
刘邦虽然攻破了彭城，但他也知道项羽绝对不会善罢甘休，为了防止项羽回援，刘邦命大舅哥吕泽驻军下邑，命彭越率本部人马驻守梁地，作为彭城西部和北部的防御屏障。同时，刘邦又命樊哙率军北上薛郡，攻打邹县、鲁县、瑕丘和薛县等地楚军，然后率汉军主力守住彭城的东北部，沿鲁县、邹县、薛县、缯县、郯县构筑防线，封锁齐地与彭城之间的道路，切断项羽回军救援的路线。
至于战斗力和忠诚度稍逊一筹的三十万诸侯联军，刘邦则将其全部部署在了彭城和彭城以西的萧县、砀县一带，毕竟想让他们去和项羽硬碰硬，刘邦实在没有把握。
在刘邦看来，自己的这套防御体系应当极为完备，如果项羽率领楚军主力回援，迎面便会撞上樊哙等人率领的汉军主力，再加上田横率领的齐地叛军，两面夹击之下项羽必败。
即使一时间难以击败项羽，有吕泽驻守下邑，也可确保汉军后勤补给线的安全，从而与项羽长期对峙。即便项羽突破了樊哙防线，自己手中还有三十万诸侯联军，这些军队或许无法与楚军进行野战，但用来驻防彭城却也已足够。
正是出于对这套防御体系的信任，刘邦在部署完军队防线后，便大摇大摆的在楚宫住了下来，将楚宫财富搜刮一空，白天与将士们把酒言欢，夜里则拥着楚宫的美人纵情享乐，每天生活在醉生梦死当中。
这边刘邦忙着享乐，齐地的项羽在得知了彭城陷落的消息后，却是陷入了极大的恐慌，毕竟此时他所面临的局面，几乎就是个死局。
彭城作为西楚都城，项羽不得不救，然而此时齐地尚未平定，如果回军救楚，势必要陷入腹背受敌的不利境地，更何况双方兵力差距极为悬殊，一旦被汉军和齐军前后夹击，战败便只是时间问题了。
更为要命的是，此时楚军主力虽然还在，但彭城沦陷之后，自己便没有了后勤补给，楚军完全变成了没有根基的孤军。即使楚军战斗力再强，在没有后勤补给的情况下，恐怕用不了多久，就要不战而溃了。
此外，彭城虽是楚军大本营，但刘邦本就是泗水郡人，对于这一带的地形同样极为了解，项羽并没有太多的主场作战优势。而在政治层面，由于项羽的一系列操作，此时的诸侯要么站在刘邦一边，要么冷眼旁观，没有一个人支持项羽，他虽然号称西楚霸王，但现在却只是个孤军奋战的霸王。
面临如此险恶的政治、军事环境，项羽在考虑了种种不利因素之后，最终制定出了一个大胆的计划，他决定留下大部分主力继续平定齐地叛乱，自己则率领精骑三万回军救援彭城。
于是，一场三万对五十六万的史诗级大战，就此拉开帷幕。