项羽与齐王田荣部队激战之时，探子来报称刘邦已经率军围攻彭城，但项羽听后依然面不改色。面对刘邦和五路诸侯的五十万大军，他命令部将在齐地继续作战，而自己则带了三万精兵去彭城救济。两方兵力悬殊，项羽依然毫不畏惧，这就是项羽的气魄。

项羽率兵回彭城的路上，刘邦已经攻入彭城。由于项羽的大部队被牵制在齐国，彭城兵力空虚，刘邦很轻易就拿下了彭城，在进驻彭城后，刘邦四处掠夺西楚的财物美女等，每天大摆筵席庆祝胜利，而此时项羽则带着自己的三万精兵到达萧地（彭城以西），趁着天色微微亮，对刘邦的部队展开突击。项羽不愧是一名悍将，到了中午，项羽就攻破了汉军，汉军仓皇而逃，项羽乘胜追击，将汉军追到河边，杀死了十几万人。剩下的汉兵沿着山路往南逃窜，项羽又带兵追击到睢水，此时的汉军已经无路可退，楚军将汉军团团围住，对其进行残忍屠杀，漂浮在河上的尸体就有十几万。

项羽军将刘邦及其残部包围了三层，正待聚歼之际，忽然西北大风猛袭而来，飞沙走石，树木连根拔起，一时间天昏地暗，吹打得项羽军阵营混乱。刘邦趁此机会，仅带十余名骑兵突围而逃。其父、其妻被楚军俘获，汉军几乎全军覆灭。

刘邦感到绝望极了，但是也只能往西躲，不过在半路遇到了逃出来的一对子女，刘邦甚是欢喜，将两个孩子抱上马车。多了两个人，马车速度慢了下来，刘邦为躲避楚军，中途将两个孩子放下来，而夏侯婴看到后，又将两个孩子抱上车，刘邦再抱下来，如此反复几次，最后，夏侯婴看不下去了，说：“眼下虽然情况紧急，但也不能不顾两个孩子的性命啊！”刘邦这才作罢当刘邦顺利到达安全地点时，再一次派人去寻找家人，结果一无所获。

彭城之战中，刘邦大败。兵败后，韩信收集了一些溃败的汉军；留守关中的萧何收到刘邦兵败的消息后，也派遣一些老弱残兵前去支援。刘邦投靠了吕雉的兄长吕择，获得了一些兵力，这三路人马在荥阳（今河南荥阳）会合，这期间，楚军以彭城为根据地，不断追击逃散的汉军，一直追到荥阳，但因为路途遥远，兵力不足，汉军抓住这一点，又与楚军进行了几次较量，取得了一些胜利，如此，刘邦总算没有败得那么惨。

彭城之战是中国大规模独立运用骑兵歼灭步兵的典范。项羽所率的三万精兵均是骑兵，机动性大，能以迅雷不及掩耳之势对敌突袭，顷刻间造成敌军的惊惶混乱，然后于乱中取胜。

项羽绕道彭城西南的萧县，期间潜伏下来等待刘邦诸军全部进彭城，并在早晨攻击敌人后翼。面对敌人的数量优势以及联军的指挥不协调，项羽采用直接进攻刘邦指挥中枢的战术，咬定敌方主帅追着猛打，使刘邦的指挥系统瘫痪，自始至终无法组织军队抵抗。由于两方兵力悬殊，项羽驱赶引诱汉军到河边自相残杀，互相践踏，最后落水而亡。

虽然这场战役以项羽的完胜而告终，但是，在最后一刻，项羽没有一鼓作气乘胜追击。以致后来，刘邦逃往西边，占据荥阳成皋之地利，依靠关中汉中之资源和地利，以及项羽后方的游击战大师彭越，集中整个集团的优势力量，终于拖垮项羽，赢得天下。