宋義回答說：
“俗話說：‘打牛身上的虻，不能同時殺死蟣和虱’，如果將章邯比喻為虻，那麼秦就是虱。在這里即使能擊敗章邯，也無法滅秦，這豈不是徒勞無功嗎?現在秦兵攻趙，秦軍即使勝利，士兵也一定會陷于疲憊的狀態，我們不如等秦兵疲憊時再去攻打，這不是更好嗎?然後我們再一舉向西占領秦的根據地。所以，現在沒有出擊的必要。若是與敵軍對陣相搏，我力不及你，但在運用戰略上，我就比你強多了。”
宋義不理會項羽的質問，反而發布命令：
“擅自行動者斬首!”
然而宋義卻私下違反自己所發布的命令，想將自己的兒子宋襄送到齊國去，且正在與齊相頻頻交涉中。宋義忙于賄賂宴請齊的使者，根本無心舉兵出擊。
陰曆十一月的華北，天寒地凍，兵士們都因饑寒而惱怒。項羽終于下定決心：
“今年收成不好，百姓貧困，軍糧缺乏，兵多粥少，而宋義卻長此逗留，並日夜豪飲，浪費食糧。說是要等秦兵疲憊再進攻，然而新組成的秦軍，軍勢強大。趙將敗北是明顯易見的事。等趙慘敗後，秦軍必然更加強大，我們哪有乘虛而入的機會呢?幾個月以前，楚敗于秦。懷王痛心，寢食難安，于是傾全國之力，將一切都委托給宋義，楚國的興廢，就在此一舉了。而這可惡的國賊不顧國事，卻積極謀慮自己的私事!”
第二天早晨，項羽借著與宋義見面的機會，在營里一刀砍下宋義的頭，並喊道：
“上將軍宋義與齊密謀，企圖叛楚，楚王命我殺他！”
諸將立刻俯身于項羽面前，大家都由衷地佩服項羽，很高興看到宋義被殺。于是項羽臨時代理上將軍的職務。
項羽並立即派桓楚到懷王那兒，報告誅殺宋義的始末。懷王即正式任命項羽為上將軍。
項羽立刻帶領援軍，向巨鹿進擊。
項羽首先以二萬精兵組成先鋒隊，由黥布率領。他們渡過漳水抵達巨鹿，朝著重重包圍巨鹿城的秦軍猛攻。然而因為兵力眾寡懸殊，素有猛將威名的黥布也未能獲勝。黥布苦戰的消息，傳到項羽那里。
“我自己來!”項羽憤怒地站起身來。
不久，他親率部隊渡過漳水，並立即下令擊沉所有的船只，只留下三天的糧食，鍋、釜等炊具也全部燒毀。
這麼一來，大家既不能逃回去，也不能滯留原地，只有拼死奮力向前出擊。
他們立誓要得勝，否則再也不回楚境。
于是項羽率領楚軍，截斷了秦兵的糧食補給線，發出震天的厮殺聲，殺向圍城的秦軍。
突擊，後退，再突擊，又後退，與秦軍激戰九次。面對決死拼命的楚軍，軍勢浩大的秦軍也招架不住了。蘇角被項羽當頭一擊而斃命，涉間自殺，王離被擄，失去大將的秦兵，紛紛向四方逃逸。
章邯聞訊趕來，卻也抵不住勢如破竹的楚軍而撤退了。
項羽率領楚軍在巨鹿展開激戰。先前來救援巨鹿的諸侯軍，為數頗多，但他們雖誠心想救趙，卻畏懼秦軍的強大戰力，只在巨鹿的四周布陣，不敢輕舉妄動。
此時，他們在壕溝中觀戰，秦、楚的激烈戰斗，使得觀戰的諸侯們緊張至極。楚軍的厮殺聲，驚天動地，以一當十，最後終于戰勝。諸侯們被這種緊張的情勢震懾得不知所措。
戰後，項羽接見各諸侯、將軍，他們都無顏正視項羽。
項羽的勇武，因為這一戰而更加出名，使得諸侯們佩服得五體投地，都願意跟從他。
秦將章邯于巨鹿敗退後，就轉而鎮守棘原(河北平鄉南)，隔著漳水與項羽的聯軍對峙。
這段期間，因為項羽軍隊的壓迫，使他節節後退。
秦軍在巨鹿大敗的消息，很快地傳到咸陽。
暴怒的秦二世，即派遣使者嚴責章邯的失誤，章邯也怕被處罪，立即派司馬欣向二世請求將功贖罪的機會。
司馬欣到了咸陽，投書想謁見秦二世，但是掌握實權的趙高，卻因嫉妒章邯，而未安排章邯的使者謁見二世。因此司馬欣就在宮殿外圍的司馬門空等了三天，仍未獲准朝見皇上。機警的司馬欣猜到自己會有危險，就急忙沿著原路返回軍中。
果然不出所料，趙高不久即命令部下追捕司馬欣。
司馬欣脫離虎口回來，向章邯報告說：
“朝廷里，趙高掌握著政權，其他人毫無插手的余地。即使你現在打了勝仗，趙高也一定會嫉妒你的功績；萬一打了敗仗，那更是必死無疑。將軍，這一點請你仔細三思!”
這時陳余勸章邯投降的書信也送達了。內容是：
“白起、蒙恬都是秦的名將，功績輝煌，但最後卻都被奸臣所謀害。秦雖頗能起用干才，但等到他們功成利就時，就以某種不實的罪名將他們處死。將軍現在的處境正是如此。將軍率領大軍離開都城已快三年了，這期間，損失的將士為數不少，而諸侯的舉兵卻有增無減。秦帝國的朝廷里，由趙高掌握著實際政權，面臨國家存亡的大事時，他為了避免被二世誅殺，便會將罪過轉嫁于將軍。這樣一來，將軍無功會被殺，有功也難逃厄運。不管如何拼命為秦效力奮戰，生命都無法長存，這點將軍應該甚為明白。在內蒙上叛逆的汙名，在外成了亡國的將領，陷入孤立無援的境地，與其如此，倒不如和關東諸侯聯合攻秦，然後分地自立為王，這才是將軍聰明的作法。”