項梁戰死後，楚懷王開始對軍隊進行重新整合和部署。他任命宋義為上將軍，項羽為次將，范增為末將，率領楚軍主力北上救趙。當時，趙國被秦軍圍困在鉅鹿城，形勢危急。而劉邦則被楚懷王任命為西征軍統帥，率領一支軍隊向西進軍，直搗秦朝的統治中心關中。
項羽隨宋義率領楚軍北上，途中，宋義因畏懼秦軍的強大，駐軍不前，且每日飲酒作樂，不顧士兵的死活和趙國的危急。項羽見狀，心急如焚，他多次勸諫宋義進軍，但宋義不聽。在這種情況下，項羽果斷地發動兵變，殺死宋義，奪取了楚軍的指揮權。這一事件充分展現了項羽的果敢和決絕，同時也表明他為了實現反秦目標，不惜一切代價。
項羽奪取兵權後，立即率領楚軍渡過漳水，向鉅鹿進發。為了激勵士氣，項羽下令破釜沉舟，燒燬軍營，只攜帶三日口糧，表示與秦軍決一死戰的決心。楚軍士兵們在項羽的鼓舞下，士氣大振，個個奮勇當先。他們面對強大的秦軍，毫無懼色，經過九次激烈的戰鬥，終於擊破秦軍防線，解了鉅鹿之圍。鉅鹿之戰，是項羽軍事生涯中的輝煌頂點，也是中國歷史上以少勝多的經典戰例之一。此役之後，項羽威震諸侯，各路反秦將領紛紛歸附於他，項羽成為了各路反秦軍隊的實際領袖。
在項羽與秦軍主力在鉅鹿展開激戰的同時，劉邦率領的西征軍也在艱難地向西推進。劉邦深知自己兵力有限，無法與秦軍正面抗衡，因此他採取了迂迴戰術，避開秦軍的重兵防守，沿途收編各地起義軍和流民，壯大自己的隊伍。他還善於利用秦朝統治內部的矛盾，採取招降納叛的策略，使得許多秦朝地方官員紛紛投降。
在進軍過程中，劉邦的軍隊也遭遇了一些挫折和困難。但他憑藉著堅韌不拔的意志和部下的齊心協力，克服了重重難關。公元前 206 年，劉邦率領軍隊率先攻入關中，秦王子嬰出城投降。劉邦進入咸陽後，與關中百姓約法三章：“殺人者死，傷人及盜抵罪。”這一舉措深得民心，使得劉邦在關中地區贏得了廣泛的支援和擁護。
項羽在鉅鹿之戰後，率領諸侯聯軍繼續向關中進發。當他得知劉邦已經搶先攻入關中並接受子嬰投降時，心中大怒。項羽認為自己在反秦戰爭中功勞最大，理應成為關中王。於是，他率領四十萬大軍進駐鴻門，與劉邦的十萬軍隊形成對峙局面。在這關鍵時刻，劉邦的謀士張良和項羽的叔父項伯從中斡旋，劉邦親自到鴻門向項羽謝罪，這便是歷史上著名的“鴻門宴”。在鴻門宴上，項羽本有機會殺死劉邦，但他優柔寡斷，聽信了劉邦的解釋和項伯的勸說，放走了劉邦。這一決定，為日後楚漢相爭埋下了伏筆。
隨著秦王子嬰的投降，秦朝的統治宣告結束。但項羽與劉邦這兩位反秦英雄之間的矛盾卻日益尖銳。他們為了爭奪天下的統治權，即將展開一場更為激烈、更為殘酷的楚漢相爭。而秦末的這段反秦歷史，也成為了中國歷史上一段波瀾壯闊、引人深思的篇章，它見證了人民的力量、英雄的崛起與命運的無常，為後世留下了無盡的啟示與借鑑。