汉高帝二年(前205年)五月，汉高祖退到荥阳一线收集残余部分。此时，汉高祖的下属萧何在关中招募了大量士兵补充前线，韩信还带领部队与汉高祖会合。汉高祖汉军休息补充后，实力复苏，成功遏制了荥阳以东地区的楚军，暂时稳定了战局。荥阳及其西部成皋，南屏嵩山，北临河水(黄河)，四水纵流，是洛阳的门户，进入函谷关(今河南灵宝东北)的咽喉。战略地位非常重要。五月以来，汉楚两军为争夺该地展开了旷日持久的战争。
交战初期，汉高祖按照张亮制定的战略，实施了积极坚持、敌后攻击和翼侧约束的作战部署，与军队政治合作，辅助进攻防御，游说英布倒戈，从南约束项羽；派韩信破魏，确保翼侧安全；联系彭越，攻击项羽后方，有效拖延项羽进攻。同时，汉高祖要求萧何管理关中、巴蜀，巩固后方战略基地，转移粮食兵，支持前线作战；他还采取了陈平的计划，派间谍进行活动，分化和瓦解楚军。
尽管汉高祖的这些措施在遏制楚军、巩固后方方面发挥了积极作用，但正面战场的形势依然不容乐观。项羽看到汉高祖的势力不断增强，非常不安。明年春天，他很容易动员楚军主力加强对信阳和成皋的进攻，并多次派兵切断汉军的粮道，使汉高祖的军队在供应方面遇到了很大的困难。五月，项羽大军进逼荥阳，汉高祖内缺继粮，外无援兵，形势日益危急。汉高祖采用张良的缓兵之计，派使臣向项羽求和，表示愿以荥阳为界，以西汉，以东归楚，但却被项羽拒绝。汉高祖别无选择，只能采取将军纪信的策略。纪信假装是汉高祖，开车走出荥阳东门，欺骗城里的食物，汉王出降，欺骗项羽，而他则趁机从荥阳西门逃到成皋。项羽发现自己被骗后勃然大怒，烧死纪信，率兵追击汉高祖，迅速攻下成皋，汉高祖匆匆逃回关中。
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汉高祖从关中征集了一批兵员，打算再夺成皋。顾问袁胜认为这不是一个好政策。建议汉高祖派兵到武关（今陕西商南东南），调动楚军南下，减轻汉兴阳守军压力；同时，让韩信加强北方战场管理，迫使楚军分散军队。汉高祖欣然采纳了这一策略，率军经武关出宛(今河南南阳)、叶(今河南叶县)与英布合作展开攻势；与此同时，韩信也率部由赵南下，直接抵达黄河北岸，与汉高祖、荥阳汉军相互应对。汉军的行动确实动员了项羽南下。此时，汉高祖转向防守，避免与楚军作战，让彭越加强对楚后方的攻击，彭越不失望，进展迅速，占领地下玉（今江苏遂宁西北部），直接对楚都彭城构成威胁。项羽第一尾不能兼顾，被迫回师东击彭越，汉高祖乘机收复成皋。
六月，项羽击退彭越后，立即回师西进，对汉高祖发动第二次攻势，攻占荥阳，再夺成皋。并继续西进，抵达今河南巩县。汉高祖仓突然北渡黄河，逃到小修武(今河南获嘉东)。在那里，汉高祖被调到韩信的大部分部队，以支持危机，加强积极防御。汉高祖知道项羽的实力，于是命令汉军一部拒绝于巩(今河南巩县西南)，一部驻扎在小修武中，深沟高垒，不与楚军交锋。同时，派韩信组建新军东向击齐，继续开辟北方战场。
又命刘贾带领2万人从白马津(今河南滑县北，旧黄河渡口)渡河，深入楚地，协助彭越，扰乱楚军后方，切断楚军粮道。彭越得到了刘贾的支持，迅速占领了绥阳(今河南商丘南)、外黄(今河南祁县东北)等17座城市。彭越和韩信的军事行动对项羽的侧背构成了严重威胁，迫使项羽在9月份停止进攻，再次回到老师那里攻击彭越。项羽离开前，他警告成皋守将曹武说：小心坚持成皋。即使汉军挑战，也不要进攻。只要我能阻止汉军东进，我就会在15天内击败彭悦，然后与将军见面。项羽很快收复了17座城市，但没有消灭彭越的游军，它继续威胁楚。
四年(公元前203年)十月，汉高祖听取谋士李食其的建议，趁项羽东去之机，反击成皋。守将曹怪一开始也遵守项羽的警告，坚守不了，但经不起汉军连日的辱骂和挑战，一怒之下，率军出击。汉高祖看到激将法奏效，就用半渡击的战术打破了楚军在四水以上的曹指责。曹指责兵败自杀，汉军趁机再次夺取成高，乘胜推进广武(今荥阳东北)一线，收敖仓积粟充军用，包围了荥阳以东的楚将钟。
项羽听到成皋失守，大惊失色，迅速由绥阳带领主力回归，与汉军争夺成皋，与汉军对峙，与汉高祖决一雌雄。但汉军根据险要地形，坚守不战。项羽无计可施，双方对峙了几个月。这时，韩信占领临淄，齐地战争吃紧。项羽不得不派龙，带兵20万去救齐，这进一步削弱了正面战场的进攻力量。11月，韩信在潍水歼灭了龙和部队，平定了齐国，使项羽的处境更加困难。几个月后，楚军缺少粮食，既不能进也不能退。他白白消耗力量，完全陷入被动。
此时，汉军韩信部已破魏、破赵、降燕、平定三齐，占领楚东北大部分地区，完成了楚的战略包围。彭越游军不断扰乱楚军后方，占领昌邑(今山东金乡西)等20多座城市，多次截断楚军补给线。淮南也发展了英布所部。项羽腹背受敌，失去主动，陷入一筹莫展的境地。双方的强弱情况发生了根本性的变化。看到大势尽去，项羽被迫与汉高祖议和，以鸿沟为界，中分天下，然后引兵东归。成皋之战以汉胜楚败告终。
楚汉成皋之战在哪两位统帅之间展开？