項羽殺了宋義奪取了軍隊的指揮權後，火速率領軍隊抵達了鉅鹿（今河北省鉅鹿縣）戰場。他到達戰場後，發現鉅鹿城中的趙軍缺兵少糧，危在旦夕，但是各諸侯國的軍隊看見秦軍人數眾多，聲勢浩大，全都畏於秦軍的威勢，龜縮在營壘裡按兵不動，誰也不敢上前與秦軍交戰。但是項羽就是項羽，他沒有選擇像那些諸侯軍隊一樣，也畏葸不前，他經過觀察，馬上就發現了秦軍的弱點。
首先他發現秦軍的佈置有問題。鉅鹿戰場上的秦軍分為兩大軍團，一個是由王離率領的長城邊防軍，另一個就是秦將章邯率領的奴隸大軍，章邯的奴隸大軍大約20萬人，王離的長城軍團大約10萬多人，兩個軍團進行了分工，王離的長城軍團負責圍攻鉅鹿城，而章邯的奴隸軍團則負責替王離軍團輸送糧草物資和看住諸侯軍隊。章邯率軍駐守在鉅鹿城南的漳河，他在自己和王離軍團之間築起了一條運糧甬道，並沿途派兵把守。項羽馬上發現這兩個軍團之間並沒有一個最高統帥，換句話說，章邯和王離兩人是平級的，誰也無法去指揮和命令誰，他們兩人的軍事行動是通過事前進行磋商的，這勢必就會造成兩個軍團之間的配合出現嫌隙，而且戰場局勢瞬息萬變，如果一下爆發突發戰事兩大軍團無法在短時間內做出快速的互利反應，形成有效的合力。所以，項羽可以利用他們兩大軍團之間沒有一個最高統帥協調配合的這種指揮上的縫隙打一個時間差。
其二是因為之前宋義率領楚軍在安陽滯留了46天，這倒無形中反而給項羽幫了一個忙。因為正是之前宋義的停留，使得項羽率領的楚軍成為了最晚到達鉅鹿戰場的救趙諸侯軍隊，從而使得這時候出現在戰場上的項羽獲得了最佳的時機。因為項羽到達戰場後發現，鉅鹿戰場上的諸侯聯軍和秦軍已經形成了固定的對峙局面，即王離軍和鉅鹿城相持，鉅鹿城裡的趙軍拼死抵抗，王離一時攻克不下，而章邯軍則和救趙諸侯聯軍相持，雖然諸侯聯軍都躲在營壘裡不敢出來救援，但是負責盯防諸侯聯軍的章邯還是不敢大意，十刻盯緊諸侯聯軍，不敢輕舉妄動。而這個時候姍姍來遲的項羽恰恰此時出現了，秦軍已經沒有把太多注意力放到他身上，章邯認為項羽也會像先前來的那些救趙援軍一樣害怕秦軍不敢輕出，所以此時的項羽能夠出其不意，打他個措手不及。
其三是項羽發現了兩個軍團之間的薄弱之處，也就是所謂的命門，那就是連繫秦軍兩個軍團之間的運糧甬道。甬道不僅承擔著運糧的功效，而且同時也是章邯軍團和王離軍團秦軍兩大軍團的連接紐帶，無論是戰場上的哪一方危急都可以通過甬道進行輸送轉移，假如王離軍受到攻擊章邯可以通過甬道迅速派兵支援王離，而章邯軍被攻擊王離可以通過甬道及時進行轉移撤退。所以，甬道是這場戰爭中獲勝的關鍵，要想獲得勝利就必須佔領甬道，切斷秦軍兩大軍團之間的聯繫，否則秦軍兩大軍團一但結合，將無可匹敵，楚軍絕無獲勝的可能。
第四是項羽發現了王離的長城軍團已經出現了疲敝的現象，王離軍團已經圍攻鉅鹿城兩個多月的時間，古人曹劌曾經說過：夫戰，勇氣也。一鼓作氣，再而衰，三而竭。換句話說，王離軍團在初來的時候銳氣正盛，可是在經過長時間的攻城戰之後，已經出現了士氣衰竭的現象，不在像剛來時候那麼鬥志高昂，王離軍久攻鉅鹿城，軍隊已經開始開始麻痺，放鬆戒備。而且在古代冷兵器時代，最忌諱的就是攻城戰，攻城戰往往打成持久戰、消耗戰，而王離攻打鉅鹿城對軍隊的損耗巨大。項羽很清楚以楚軍的實力只能單獨面對秦軍的一路兵團，所以項羽經過深思熟慮，他將士氣衰竭、放鬆戒備的王離軍團選為首要攻擊對象。
項羽立即展開部署，他首先命令悍匪英布和蒲將軍為全軍先鋒，率領二萬楚軍先行渡過漳河進攻秦軍的運糧甬道，切斷秦軍兩大軍團之間的連繫，同時為大部隊開路，建立灘頭登陸陣地。悍匪英布和蒲將軍渡過漳河後，他們將兩萬軍隊分成十股小部隊，然後命令這十股部隊分別從十個不同的地方同時進攻甬道，等到秦兵分別向這些被破壞的地方增派援兵的時候，十股部隊在迅速撤退匯合到一處，趁著將甬道秦軍調開分散救援的時機集中兵力進行一處強行突破。英布和蒲將軍順利佔領了一處甬道，成功切斷了秦軍兩大軍團之間的聯繫，項羽於是率領剩下的所有四萬楚軍渡過漳河。因為之前來的救趙援軍全都按兵不動，所以項羽突然率領楚軍發動攻擊，一下子打破了戰場上的僵局，使得章邯和王離都被突如其來的戰況給打懵了，這個時候秦軍兩大軍團沒有最高統帥的弊端就顯現出來了，章邯和王離猜不透這股楚軍到底要幹什麼？它的進攻對象是誰？章邯不知道他是衝自己來的，還是去打王離的？王離猜不透他是來打自己來的，還是去圍攻章邯的？更或者這是諸侯聯軍協商發動的一次軍事行動，楚軍只是派來攻打甬道的先頭部隊，吸引秦軍的注意力，然後諸侯聯軍在趁機出擊。正在章邯和王離狐疑不決的時候，項羽已經抓緊時間搶渡漳河，項羽很清楚楚軍要想獲勝，就必須在短時間內打垮王離軍，因為如果短時間內無法解決戰鬥，時間一長，章邯和王離一旦反應過來，調集部署，那戰場的主動權就會落入秦軍手中，楚軍就會陷入巨大的被動當中，畢竟秦軍人數眾多，兩軍實力懸殊，他必須速戰速決。所以，項羽在軍隊過河後命令部隊砸破做飯用的鍋碗，鑿沉來時的渡船，以示有進無退的決心，並且讓所有將士每人只帶三天干糧，包括他本人自己，言外之意就是告訴大家如果三天之內無法解決戰鬥，即使楚軍不戰死也得餓死。
項羽這一無比魄力和霸氣的壯舉，一下子把楚軍的戰鬥力提升到了爆表。項羽率領楚軍向鉅鹿城下的王離軍團猛撲過去，王離軍團因為已經攻打鉅鹿城將近三個月，師老兵疲，放鬆戒備，沒想到楚軍突然從背後殺出。楚軍全軍將士因為自斷退路，拼死作戰，勇猛無比，先前援救鉅鹿的諸侯聯軍因為恐懼秦軍都不敢出擊，待到項羽率領楚軍攻打王離軍的時候，諸侯軍隊全都跑出營壘觀看，看到楚軍將士個個以一當十，喊殺震天，諸侯軍隊人人膽戰心驚。這時候章邯看到楚軍撲向鉅鹿城下的王離軍，可是因為甬道被截，章邯無法及時派兵支援王離，而且章邯的主要任務是盯防諸侯聯軍，而此時諸侯聯軍並未出動只是在旁邊觀戰，所以使得章邯無法下定決心去救王離，他害怕自己去救王離時諸侯聯軍會不會趁勢攻打自己的大營，或者自己去救王離的途中會不會遭到諸侯聯軍的伏擊，就在他猶豫不決不知道該不該率兵去救王離的時候，項羽率領楚軍和王離軍三天之內大戰九次，九戰九捷，眼見楚軍將士士氣振奮，越殺越勇，而王離軍則被動挨打，步步後退，此時楚軍已經完全佔了上風，勢頭完全壓住了王離軍，觀戰的各諸侯軍隊這才敢鼓起勇氣一起衝出大營將王離軍包圍，項羽在短短的三天時間內就將王離軍擊潰，使得章邯還沒來得及作出反應就戰敗了，當他看到諸侯軍隊全都出動圍攻王離軍的時候，他想要去救王離軍時已經為時已晚，秦軍大勢已去。這時鉅鹿城裡的趙軍也衝出城來和諸侯聯軍一起圍攻王離軍，大家裡應外合，一舉活捉了主將王離，秦軍兩位大將蘇角被殺，涉間自焚，項羽一戰打出了神威。
項羽大破王離軍之後，在楚軍大營召見各諸侯國軍隊將領。各諸侯國將領們進入楚軍大營的轅門時，全都屈膝跪地而行，不敢直視項羽，項羽被大家公推為聯軍共主，指揮四十萬的諸侯聯軍。雖然王離軍團敗了，但此時秦軍的另一個軍團章邯率領的奴隸軍團並沒有受到損失，還完好無損，這些奴隸大軍是秦軍精銳，久經戰陣，加上章邯驍勇善戰，項羽率領的諸侯聯軍雖然數量上佔據優勢，數次打卻章邯，但仍不能一口吞掉秦軍。章邯的秦軍駐紮在棘原，諸侯聯軍駐紮在漳河南，兩軍相持半年多，還沒決出勝負。由於秦軍戰事不利，秦二世派人來責問章邯，章邯恐懼，派長史司馬欣回朝廷彙報情況。而這個時候，陳餘寫了一封信給章邯，他在信上說：“白起和蒙恬都是秦朝大將，他們都為秦國立下過汗馬功勞，可是最後都被殺害了，這為什麼呢？就是因為他們的戰功太多，朝廷無以封賞，就從法律上找藉口殺了他們。如今將軍您已做秦將三年了，士卒傷亡數十萬計，而各地反秦的諸侯卻越來越多。秦相趙高一向欺上昧下，如今形勢危急，他也害怕秦二世治罪於他，所以想從法律上找藉口，殺了將軍來推卸罪責。將軍您長時間在外，不熟悉朝廷裡的事務，朝臣有功的也要被殺，無功的也要被殺。而且，現在是上天要滅秦，這無論是智者還是愚者誰都能看的出來的，現在將軍您在外不能直言進諫，獨自一人支撐著卻還想維持長久，難道不可悲嗎？將軍您不如率兵掉轉回頭，與諸侯聯合訂立和約一起攻秦，共分秦地，各自為王，這跟身受刑誅，妻兒被殺相比，哪個算好呢？”章邯看到陳餘的信後心緒大亂，猶疑不決，這時候章邯派到咸陽彙報情況的司馬欣也回來了，司馬欣回到軍中向章邯報告說：“趙高在朝廷中獨攬大權，下面的人不可能有什麼作為。如今仗打勝了，趙高必定嫉妒我們的戰功；打不勝，我們更免不了一死。希望將軍您認真考慮這情況！” 章邯聽了，明白自己已經進退無路了，於是率領二十萬秦軍在殷墟（今河南省安陽市殷都區）向項羽投降。
章邯的投降，標誌著鉅鹿之戰的徹底結束，秦軍主力全部瓦解，秦朝已徹底名存實亡。
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