项羽取得正式指挥权之后，立即发动了巨鹿之战。
当时，王离、苏角、涉间率领的长城军负责攻城，章邯率领的秦军负责守卫甬道。
项羽首先派勇将黥布率两万军队渡黄河，取得小胜；然后，沉了船，砸了釜甑，烧了庐舍，每人只带三天的粮食，以表示此次出战必死的决心（项羽乃悉引兵渡河，皆沉船，破釜甑，烧庐舍，持三日粮，以示士卒必死，无一还心）。这就是鼎鼎大名的“破釜沉舟”（釜，就是锅；甑，是蒸米用具）。
项羽过河之后，立即攻击守卫甫道的章邯，经过殊死大战，首先击败章邯。
当时在巨鹿周围的齐将田都、赵将张耳、燕将臧荼等，一直等到项羽击败章邯兵团，才纷纷参战，与项羽军联手大败秦长城军，杀死苏角，俘虏王离，迫使涉间自杀。
巨鹿之战打得极为艰苦。当时前来救赵的诸侯军，竟然无人敢于参战，只敢在自己的军营中观战，而且留下了一个非常有名的成语“作壁上观”（诸侯军救巨鹿下者十余壁，莫敢纵兵。及楚击秦，诸将皆从壁上观）。司马迁的《史记》一连用了两个“无不”描写这场战斗的惨烈：
楚战士无不一以当十，楚兵呼声动天，诸侯军无不人人惴恐。
明人茅坤用两个“最”评价巨鹿之战：
项羽最得意之战，太史公最得意之文。
这一仗打赢之后，项羽召见诸侯将。诸侯将进入项羽的军营，“无不膝行而前，莫敢仰视”。项羽终于靠自己的实力与战绩获得了天下反秦联军的承认，成为诸侯联军的统帅（项羽由是始为诸侯上将军，诸侯皆属焉）。巨鹿之战的第一阶段胜利结束。
巨鹿之战最终的胜利是多种因素促成的：
首先是项羽给予秦军的巨大军事压力。
解除了巨鹿之围后，项羽率部驻守在漳水南岸，诸侯军驻守在巨鹿城外，对章邯军形成南北夹击之势，给章邯以巨大的军事压力。双方对峙相持约半年。
秦二世三年（前207）六月，经过半年修整的项羽派蒲将军率领部分楚军渡过漳水，日夜兼程，截断秦军的归路；自己亲率大军北渡漳水，再次大败秦军。
其次是章邯的备受猜忌。
秦二世三年（前207）夏，因为章邯兵团屡屡战败，秦二世频频派人斥责章邯。章邯害怕，就派手下的长史司马欣回京城汇报军情。当时，秦朝宫廷是宦官赵高专权，赵高大玩“指鹿为马”的游戏，震慑大臣，猜忌领兵的将帅。司马欣到了咸阳，“留司马门三日，赵高不见，有不信之心”。司马欣见势不妙，赶快逃走，还不敢走原路，赵高果然派人追杀司马欣（长史欣恐，还走其军，不敢出故道，赵高果使人追之，不及）。司马欣不但未见到秦二世，还差一点被赵高所杀，于是赶快逃回来，劝章邯早作安排。
再次是劝降信的巨大威力。
当章郎处于两难的困境之时，陈馀给他写了一封劝降信，以秦将白起、蒙恬立有大功最终被杀之事劝章邯投降（白起为秦将……攻城略地，不可胜计，而竟赐死；蒙恬为秦将，北逐戎人，开榆中地数千里，竟斩阳周），告诫章邯现在的处境是“内不能直谏，外为亡国将”，为什么不和反秦大军联手共攻秦，分王其地？这封信极大地动摇了章邯为秦而战的信念，摧毁了章邯的心理防线，迫使秦王朝最后一位大将临阵倒戈。
最后，项羽军团粮草紧张。
项羽军团虽然在军事上节节胜利，但是，也面临一个重大难题粮少。所以，项羽权衡利害，接受章邯投降。
秦二世三年（前207）七月，项羽在殷墟（今河南安阳）接受了章邯军团的投降。
巨鹿之战中，项羽表现出了非凡的勇气、决战决胜的精神。项羽举重若轻，以少胜多，表现出卓越的军事才能。
巨鹿之战虽然是天下反秦武装和秦军主力的决战，而且是项羽登上历史舞台的关键一步，但是，巨鹿之战对项羽的要求却很单纯，就是全力作战。这场决定秦王朝生死的著名战争，说到底只是一场局部战争，不需要项羽在战略上作任何周密的安排。因此，项羽把他自己作战勇猛这一强项最大限度地发挥了出来，取得了辉煌的战果。
从巨鹿之战看，项羽是这个时期一位卓越的军事天才，他的“破釜沉舟”，化指挥员的意志为全体战斗员的决心，极富创造性。但是，这样一位军事天才为什么会被刘邦战败呢？
为了解开这一谜题，我们来看项羽另一场出色而又留有遗憾的战争：彭城之战。彭城，就是今天江苏省的徐州市。彭城之战是刘邦、项羽之间的第一场正面战争。