这是场始于汉高祖二年（公元前205年）五月终于汉高祖四年（公元前203年）八月的战役，前后历时两年零三个月左右。它是西楚霸王项羽和汉王（即后来的汉高祖）汉高祖，围绕战略要地成皋（今河南荥阳汜水镇）而展开的一场决定汉楚兴亡的持久争夺战。在这场战争中，汉高祖及其谋臣武将注意政治、军事、经济多方面的配合，将正面相持、翼侧迂回和敌后骚扰等策略加以巧妙运用，调动、疲惫、削弱直至战胜强敌项羽，从而成为我国古代战争史上以弱胜强的又一成功典范。
楚汉战争初期，汉高祖处于绝对的劣势地位。但他富有政治远见，注意争取民心，招揽军政人才，因而在政治上据有主动地位。在军事活动方面，汉高祖善于运用谋略，巧妙利用矛盾，做到示形隐真，乘项羽东进镇压田荣反楚之际，暗渡陈仓，占领战略要地关中地区。尔后又联络诸侯军56万袭占彭城，端了项羽的老窝，成为项羽强有力的对手。
然而在袭占彭城之后，汉高祖满足于表面上的胜利，置酒作乐，疏于戒备。而项羽一接到彭城失陷的消息，即亲率精兵3万从齐地赶回，乘汉高祖毫无戒备的时机，发起进攻，夺回彭城。汉高祖溃不成军，仅带骑兵数十名狼狈逃脱，自己的父亲和妻子吕雉也成了项羽的阶下之囚。（详情请参阅《彭城之战》）
为了扭转不利的战局，改变楚强汉弱的态势，他果断采纳谋士张良等人的正确建议，在政治上争取同项羽有矛盾的英布，重用部下彭越、韩信，团结内部力量；在军事上制定据关中为根本，以正面坚持为主；敌后袭扰和南北两翼牵制为辅的对楚作战方针，并一一予以实施。
汉高祖二年（前205年）五月，汉高祖退到荥阳一线收集残部。这时，汉高祖的部下萧何在关中征售到大批兵员补充前线，韩信也带部队赶来与汉高祖会合。汉高祖的汉军得到休整补充后，实力复振，将楚军成功地遏阻于荥阳以东地区，暂时稳定了战局。
荥阳及其西面的成皋，南屏嵩山，北临河水（黄河），汜水纵流其间，为洛阳的门户，入函谷关（今河南灵宝东北）的咽喉，战略地位十分重要。自五月起，汉、楚两军为争夺该地展开了一场旷日持久的战争。
交战初，汉高祖即按照张良制定的谋略，实施正面坚持、敌后袭扰和翼侧牵制的作战部署，以政治配合军事，以进攻辅助防御，游说英布倒戈，从南面牵制项羽；派遣韩信破魏，保障翼侧安全；联络彭越，袭扰项羽后方，从而有力地迟滞了项羽的进攻。同时汉高祖让萧何治理关中、巴蜀，巩固后方战略基地，转运粮食兵员，支援前线作战；还采纳陈平的计谋，派遣间谍进行活动，分化瓦解楚军。
汉高祖的这些措施虽然起到了牵制楚军、巩固后方的积极作用，但是正面战场的形势依然不怎么乐观。项羽看到汉高祖的势力有增无减，十分不安，便于次年春调动楚军主力加紧进攻荥阳、成皋，并多次派兵切断汉军的粮道，使汉高祖的部队在补给上发生很大的困难。五月间，项羽大军进逼荥阳，汉高祖内乏继粮，外无援兵，情势日趋危急。汉高祖采纳张良的缓兵之计，派出使臣向项羽求和，表示愿以荥阳为界，以西属汉，以东归楚，但遭到项羽的断然拒绝。汉高祖无奈，只得采纳将军纪信的计策，由纪信假扮作汉高祖，驱车簇拥出荥阳东门，诈言城中食尽，汉王出降，蒙骗项羽，而自己则乘机从荥阳西门逃奔成皋。项羽发现自己受骗上当后勃然大怒，烧死纪信，率兵追击汉高祖，很快攻下了成皋，汉高祖仓皇逃回关中。汉高祖从关中征集到一批兵员，打算再夺成皋。谋士辕生认为这不是善策，建议汉高祖派兵出武关（今陕西商南东南），调动楚军南下，减轻汉荥阳守军的压力；同时，让韩信加紧经营北方战场，迫使楚军分散兵力。汉高祖欣然采纳这一计策，率军经武关出宛（今河南南阳）、叶（今河南叶县）之间，与英布配合展开攻势；与此同时，韩信也率部由赵地南下，直抵黄河北岸，与汉高祖及荥阳汉军互相策应。汉军的行动果然调动了项羽的南下。这时汉高祖却又转攻为守，避免同楚军进行决战，而让彭越加强对楚后方的袭击，彭越不失所望，进展迅速，攻占了要地下邳（今江苏睢宁西北），直接给楚都彭城造成威胁。项羽首尾不能兼顾，被迫回师东击彭越，汉高祖乘机收复了成皋。
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，抵达今河南巩县一带。汉高祖仓促北渡黄河，逃到小修武（今河南获嘉东），在那里汉高祖征调到韩信的大部分部队，以支撑危局，增强正面的防御。汉高祖深知项羽的厉害，这时便命汉军一部拒守于巩（今河南巩县西南），一部屯驻小修武，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。又命刘贾率领2万人马从白马津（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，截断楚军粮道。彭越得到刘贾这支生力军的支援，很快攻占了睢阳（今河南商丘南）、外黄（今河南杞县东北）等17座城池。彭越、韩信的军事行动，给项羽侧背造成严重的威胁，迫使项羽在九月间停止正面战场的攻势，再次回师攻打彭越。项羽临行前，告诫成皋守将曹咎说：小心坚守成皋，即使汉军挑战，也千万不要出击，只要能阻止汉军东进，我15天内一定击败彭越，然后再与将军会师。项羽很快收复了17座城池，但没有能够消灭彭越的游军，它继续在威胁楚的后方。
汉高帝四年（公元前203年）十月，汉高祖听取谋士郦食其的建议，乘项羽东去之机，反攻成皋。守将曹咎开始还遵照项羽的告诫，坚守不出，但是经不起汉军连日的辱骂和挑战，一怒之下，率军出击。汉高祖见激将法奏效，便运用半渡击之的战法，大破曹咎所部楚军于汜水之上，曹咎兵败自杀，汉军乘机再夺成皋，并乘胜推进到广武（今荥阳东北）一线，收敖仓积粟以充军用，并在荥阳以东包围了楚将钟离昧部。
项羽听到成皋失守，大惊失色，急忙由睢阳带领主力返回，同汉军争夺成皋，与汉军对峙于广武，欲与汉高祖决一雌雄。可是汉军依据险要地形，坚守不战。双方对峙数月，项羽无计可施。这时适逢韩信攻占临淄，齐地战事吃紧，项羽不得已只好派龙且带兵20万前往救齐，这就更加减弱了正面战场的进攻力量。到了十一月，韩信在潍水全歼了龙且的部队，平定齐国，使项羽的处境更趋困难。几个月后，楚军粮食缺乏，既不能进，又不能退，白白地消耗了力量，完全陷入了被动。这时，汉军韩信部已经破魏，破赵，降燕，平定三齐，占领了楚的东方和北方的大部地区，完成了对楚的战略包围。彭越的游军则不断扰乱楚军后方，攻占了昌邑（今山东金乡西）等20多座城池，并多次截断楚军的补给线。英布所部在淮南也有所发展。项羽腹背受敌，丧失了主动，陷于一筹莫展的境地。双方强弱形势已发生根本的变化。项羽见大势尽去，遂被迫与汉高祖议和，以鸿沟为界，中分天下，尔后引兵东归。成皋之战以汉胜楚败而告终。
成皋之战，是楚汉战争中具有决定性意义的一仗。它使楚汉之间的实力对比发生彻底的改变，项羽的失败已成为不可逆转的趋势。
汉高祖以弱小的力量，在成皋之战中战胜强大的楚军，这除了政治上注意争取人心和团结内部外，军事上的胜算主要在于对战略全局处置得比较适当和作战指挥的高明正确。同时他善于争取诸侯，最大限度地在军事上孤立项羽本人。这也给接下来发生的陔下之战埋下了伏笔。项羽之败将不可避免。
