秦二世二年（公元前208年）九月（秦以十月为岁首，秦二世二年为前209年十月至前208年后九月，该年闰月），秦军上将军章邯打败并杀死楚地反秦义军首领项梁后，认为楚地已不足忧，于是渡过黄河，汇合前来增援的王离军20万（长城军）一起攻打赵国，大败赵军。这时候，赵歇为王，陈余为大将。张耳为国相，都逃进了钜鹿城。章邯命令王离、涉间包围了钜鹿，自己的军队驻扎在钜鹿南边，筑起两边有墙的甬道给他们输送粮草。陈余作为赵国的大将，率领几万名士卒驻扎在钜鹿北边，这就是所谓的河北军。
无奈之下赵王派使者向楚怀王以及各国诸侯求援。当时秦军十分强大，救赵诸军驻扎在巨鹿城北，陈馀曾派陈泽率五千人先去试试秦军的力量，结果是到了那里就全军覆没了，自此，诸侯联军没有人敢前去迎战。
秦二世二年（公元前208年）后九月（闰月），楚怀王阵营分兵两路，一路以卿子冠军宋义为上将军，鲁公项羽为次将，亚父范增为末将，率军数万北上以解巨鹿之困；另一路以刘邦为主帅，进攻关中。楚怀王许诺说谁先攻下关中，就封谁为关中王。
楚国援赵大军进至安阳（现在山东曹县东南）后，宋义称最好等秦赵两败俱伤后楚军再收渔人之利，故逗留46天不前进。秦二世三年（公元前208年）十一月（秦二世三年为前208年十月至前207年九月），项羽痛斥宋义并杀死了他。楚怀王遂封项羽为上将军，并令英布和蒲将军两支楚军也归其指挥。
破釜沉舟
秦二世三年（公元前208年十月至公元前207年九月）十二月，项羽率楚军到达巨鹿县南的黄河（一说为漳水），立刻派遣英布和蒲将军率2万义军渡过河，援救巨鹿。二将渡河后初战小胜，赵将陈余又催促进兵。接着，项羽率领全军渡过黄河（一说为漳水），命令全军破釜沉舟，烧掉房屋帐篷，只带三日粮，以示不胜则死的决心，以迅雷不及掩耳之势直奔巨鹿，击败章邯部保护甬道的秦军，断绝王离部的粮道，包围了王离军队。项羽的决心和勇气，对将士起了很大的鼓舞作用。楚军把王离的军队包围起来，个个士气振奋，以一当十，越战越勇。经过九次激烈战斗终于打退章邯，活捉了王离，杀死了秦将苏角，秦将涉间举火自焚，其他的秦军将士有被杀的，也有逃走的，围困巨鹿的秦军就这样瓦解了。
作壁上观
此时，楚军的雄威压倒了诸侯军；援救钜鹿的诸侯国的军队有营垒十多座，却都不敢发兵出击。待到楚军攻打秦军的时候，诸侯军的将领都在营垒上观战。见楚军士兵无不以一当十，喊杀声惊天动地，诸侯军人人都惊恐不已。这样打败了秦军后，项羽便召见诸侯军将领。这些将领们进入辕门时，没有一个不是跪着前行的，谁也不敢仰视。项羽从此始成为诸侯军的上将军，各路诸侯都归他统帅了。
但在《史记·张耳陈余列传》中，关于诸侯军又有另一种说法：“项羽兵数绝章邯甬道，王离军乏食，项羽悉引兵渡河，遂破章邯。章邯引兵解，诸侯军乃敢击围巨鹿秦军，遂虏王离。涉间自杀。”按《张耳陈余列传》所叙述，则诸侯军仅仅在项羽与章邯的甬道护军作战时作壁上观，待项羽进攻王离时，诸侯军则参与了围攻，俘王离、迫使涉间自杀，是楚军和诸侯军的共同战果。
北宋司马光在《资治通鉴》中，综合了《史记》中《项羽本纪》和《张耳陈余列传》的说法，表述为：“项羽乃悉引兵渡河，皆沉船，破釜、甑，烧庐舍，持三日粮，以示士卒必死，无一还心。于是至则围王离，与秦军遇，九战，大破之，章邯引兵却。诸侯兵乃敢进击秦军，遂杀苏角，虏王离；涉间不降，自烧杀。”
两军决战
章邯的军队驻扎在棘原，项羽的军队驻扎在漳河南，两军对阵，相持未战。由于秦军屡屡退却，秦二世派人来责问章邯。章邯害怕了，派长史司马欣回朝廷去请示公事。司马欣到了咸阳，被滞留在宫外的司马门呆了三天，赵高竟不接见，心有不信任之意。长史司马欣非常害怕，赶快奔回棘原军中，都没敢顺原路走，赵高果然派人追赶，没有追上。司马欣回到军中，向章邯报告说：“赵高在朝廷中独揽大权，下面的人不可能有什么作为。如今仗能打胜，赵高必定嫉妒我们的战功；打不胜，我们更免不了一死。希望您认真考虑这情况！”
这时，陈馀也给章邯写了封信，说：“白起身为秦国大将，南征攻陷了楚都鄢郢，北征屠灭了马服君赵括的军队，打下的城池，夺取的土地，数也数不清，最后还是惨遭赐死。蒙恬也是秦国大将，北面赶跑了匈奴，在榆中开辟了几千里的土地，最终也被杀害于阳周。这为什么呢？就是因为他们战功太多，秦朝廷不可能每个人都予以封赏，所以就从法律上找藉口杀了他们。如今将军您做秦将已三年了，士卒伤亡损失以十万计，而各地诸侯一时并起，越来越多。那赵高一向阿庚奉承，时日已久，如今形势危急，他也害怕秦二世杀他，所以想从法律上找藉口，杀了将军来推卸罪责，让别人来代替将军以免去他自己的灾祸。将军您在外时间长久，朝廷里跟您有嫌隙的人就多，有功也是被杀，无功也是被杀。而且，上天要灭秦，不论是智者，还是愚者，谁都明了。现在将军您在内不能直言进谏，在外已成亡国之将，孤自一人支撑着却想维持长久，难道不可悲吗？将军您不如率兵掉转回头，与诸侯联合，订立和约一起攻秦，共分秦地，各自为王，南面称孤，这跟身受刑诛，妻儿被杀相比，哪个上算呢？” 章邯犹疑不决，秘密派军候始成，到项羽那里去，想要订立和约。和约没有成功，项羽命令蒲将军日夜不停地率兵渡过三户津，在漳河之南驻扎下来，与秦军交战，再次击败秦军。项羽率领全部军兵在污水攻击秦军，把秦军打得大败。
新安杀降
章邯又派人来求见项羽，想订和约。项羽召集军官们商议说：“部队粮草不多，我想答应他们来订约。”军官们都说：“好。”项羽就和章邯约好日期在洹水南岸的殷墟上会晤。订完了盟约，章邯见了项羽，禁不住流下眼泪，向项羽述说了赵高的种种劣行。项羽封章邯为雍王，安置在项羽的军中。任命司马欣为上将军，统率秦军担当先头部队，巨鹿之战结束。
部队到了新安。诸侯军的官兵以前曾经被征徭役，驻守边塞，路过秦中时，秦中官兵很多人对待他们不像样子，等到秦军投降之后，诸侯军的官兵很多人就借着胜利的威势，象对待奴隶一样地使唤他们，随意侮辱。秦军官兵很多人私下议论：“章将军骗我们投降了诸侯军，如果能入关灭秦，倒是很好；如果不能，诸侯军俘虏我们退回关东，秦朝廷必定会把我们父母妻儿全部杀掉。”诸侯军将领们暗地访知秦军官兵的这些议论，就报告了项羽。项羽召集黥布、蒲将军商议道：“秦军官兵人数仍很多，他们内心里还不服，如果到了关中不听指挥，事情就危险了，不如把他们杀掉，只带章邯、长史司马欣、都尉董翳进入秦地。”于是楚军趁夜把秦军二十余万人击杀坑埋在新安城南。
与项羽北上救赵、俘虏王离、迫降章邯的同时，刘邦趁秦军主力被牵制在河北，也乘虚自率一军向西进发，首先进入关中。于秦二世三年（前207年）八月突破武关，十月进入咸阳，秦王子婴出降，秦朝灭亡。
巨鹿之战是秦末农民战争所取得的一场巨大胜利。它基本上摧毁了秦军的主力，扭转了整个战局，奠定了反秦斗争胜利的基础，经此一战，秦朝已名存实亡。而项羽破釜沉舟，在各诸侯军龟缩于壁垒中时带头以楚军猛攻秦军，带动诸侯联军歼灭秦将主力，如此的战果令无数后世人对其充满了好奇与景仰。
明朝学者茅坤认为巨鹿之战是“项羽最得意之战，太史公最得意之文。”
在一幅著名的对联（作者待考，一说胡寄垣，一说金正希，一说蒲松龄），将项羽的破釜沉舟与勾践的卧薪尝胆并列，称：“有志者、事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人、天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴。”说明笃志的重要性。
清朝名臣李光地在《榕村语录》评价说：“项羽精采，最是沉船破釜，能断而行，所以成破秦之功。”
清朝诗人郑板桥有《巨鹿之战》诗称：“千奸万黠藏凶戾，曹操朱温皆称帝。何似英雄骏马与美人，乌江过者皆流涕。”
清朝学者赵翼评价：“章邯攻赵，项羽破之，被坑者且二十万，其多可知也。”
民国学者蔡东藩认为巨鹿之战是秦朝历史上第一大决战，是秦亡楚兴的关键，评价说：“项羽之救巨鹿，为秦史上第一大战，秦楚兴亡之关键，实本于此。盖章邯为秦之骁将，邯不败，即秦不亡。且山东各国，无敢敌邯，独羽以破釜沉舟之决心，与拔山扛鼎之大力，一往直前，九战皆胜，虏王离，杀苏角，焚涉间，卒使能征善战之章邯，一蹶不振，何其勇也！然使秦无赵高之奸佞，二世之昏愚，则邯犹不至降楚，或尚能反攻为守，亦未可知。天意已嫉秦久矣，故特使赵高以乱其中，复生项羽以挠其外，章邯一去而秦无人，安得不亡！谁谓冥冥中无主宰乎？”
