赵高派了十几拨自己的门客，假装成御史、谒者、侍中，轮番去审讯李斯。李斯每次都如实回答，这些人就又让人对他严刑拷打。后来二世派人来查验李斯的口供，李斯以为还和之前一样，就始终不再改口，承认了罪名。案件审理完毕，上报给二世。二世高兴地说：“要不是赵君，我差点被丞相给骗了！”等到二世派去调查三川郡守李由的人到的时候，楚军已经把李由杀了。使者回来时，正好赶上丞相李斯被下狱，赵高就伪造了李斯谋反的供词，各种证据相互附会，于是李斯被判处了五种刑罚，在咸阳街市上腰斩。李斯走出监狱，和他的二儿子一起被押解。他回头对二儿子说：“我想再和你一起牵着黄狗，从上蔡东门出去追逐野兔，这还能办得到吗！”于是父子俩相对痛哭，最终被灭了三族。二世就任命赵高为丞相，所有事情，无论大小都由赵高决定。
项梁在东阿打败章邯后，带兵往西，向北来到定陶，又一次打败秦军。项羽和沛公又在雍丘和秦军交战，把秦军打得大败，还斩杀了李由。项梁因此更加轻视秦军，脸上露出骄傲的神色。宋义劝谏说：“打了胜仗，将领骄傲，士兵懈怠，这样是会失败的。现在士兵们已经有点懈怠了，而秦兵却越来越多，我真为您担心啊！”项梁不听。于是项梁派宋义出使齐国，宋义在路上遇到齐国使者高陵君显，就问他：“您是要去见武信君吗？”高陵君显回答：“是啊。”宋义说：“我断定武信君的军队一定会失败。您要是慢点儿走就能免遭一死，走得快了就会遭殃。”二世发动了所有兵力增援章邯攻打楚军，在定陶把楚军打得大败，项梁战死。
当时连着下雨，从七月一直下到九月。项羽和沛公攻打外黄没打下来，就离开去攻打陈留。听说武信君项梁死了，士兵们都很恐慌，于是和将军吕臣一起带兵向东撤退，还把楚怀王从盱眙迁都到彭城。吕臣的军队驻扎在彭城东面，项羽的军队驻扎在彭城西面，沛公的军队驻扎在砀县。
魏豹收复了魏国二十多座城池，楚怀王封魏豹为魏王。
闰九月，楚怀王合并了吕臣和项羽的军队，自己亲自统领；任命沛公为砀郡郡守，封武安侯，让他率领砀郡的军队；封项羽为长安侯，号称鲁公；任命吕臣为司徒，他的父亲吕青为令尹。
章邯打败项梁后，觉得楚地的兵不足为虑，就渡过黄河，向北攻打赵国，把赵国打得大败。章邯带兵到了邯郸，把城里的百姓都迁到河内，把城墙都拆毁了。张耳和赵王歇逃进巨鹿城，王离带兵包围了他们。陈馀向北收拢常山的兵力，得到几万人，驻扎在巨鹿北面。章邯的军队驻扎在巨鹿南面的棘原。赵国多次向楚国求救。
高陵君显在楚国，见到楚怀王说：“宋义早就断定武信君的军队会失败，没过几天，军队果然战败了。打仗还没开始就能预见失败的征兆，这可真是懂军事啊。”楚怀王就召见宋义，和他商议事情，非常欣赏他，于是任命宋义为上将军，项羽为次将，范增为末将，去援救赵国。其他各路将领都归宋义统领，宋义号称“卿子冠军”。
当初，楚怀王和各位将领约定：“先进入并平定关中的人就封王。”那时候，秦军很强，经常乘胜追击，各位将领都觉得先入关没什么好处，不愿意去。只有项羽怨恨秦军杀了项梁，斗志昂扬地想和沛公一起向西入关。楚怀王的各位老将都说：“项羽这人，凶狠残暴，狡猾不讲信义，曾经攻打襄城，襄城人一个都没留下，全被他活埋了，他所经过的地方没有不被残害毁灭的。而且楚国多次进攻，之前陈王、项梁都失败了，不如改派忠厚老实的人，秉持着仁义向西进军，向秦国的父老乡亲宣告我们的意图。秦国的父老乡亲被他们的君主压迫很久了，现在要是真有忠厚的人去，不侵犯残害他们，应该能拿下关中。项羽不能派，只有沛公向来宽容大度，是个忠厚长者，可以派他去。”楚怀王于是没答应项羽，而是派沛公向西去攻城略地，收拢陈王、项梁的散兵来攻打秦国。
沛公取道砀县，到了阳城和杠里，攻打秦军的营垒，打败了秦军的两支部队。
秦二世三年，公元前207年，甲午年，冬天十月，齐国将领田都背叛田荣，帮助楚国援救赵国。
沛公在成武打败了东郡尉的军队。
宋义行军到了安阳，停留了四十六天不前进。项羽说：“秦军把赵国围得这么急，我们应该赶紧带兵渡过黄河；楚军在外面攻击，赵军在里面接应，一定能打败秦军。”宋义说：“不是这样。叮咬牛的牛虻，是没办法对付虱子的。现在秦军攻打赵国，如果打胜了，士兵们肯定疲惫，我们就趁他们疲惫的时候进攻；如果秦军打败了，我们就大张旗鼓地向西进军，一定能拿下秦国。所以不如先让秦、赵两国相互争斗。说到披上战甲，拿起武器冲锋陷阵，我宋义不如您；但说到坐在营帐里出谋划策，您就不如我宋义了。”于是他在军中下令说：“有像老虎一样勇猛，像羊一样凶狠，像狼一样贪婪，倔强不听指挥的，都斩首！”
接着宋义派他的儿子宋襄去辅佐齐国，还亲自把他送到无盐，在那里大摆宴席饮酒作乐。当时天气寒冷，又下着大雨，士兵们又冷又饿。项羽说：“我们本应该齐心协力攻打秦军，现在却长时间停留不前进。今年闹饥荒，百姓贫困，士兵们只能吃些豆子掺半的饭，军中也没有存粮了，他却还在饮酒作乐；不带领军队渡过黄河，依靠赵国的粮食，和赵国合力攻打秦国，还说什么‘趁他们疲惫的时候进攻’。以秦国的强大，攻打刚建立的赵国，势必能拿下赵国。赵国被拿下，秦国就更强大了，还有什么疲惫可趁！况且我们楚军刚打了败仗，大王坐立不安，把全国的军队都交给将军您，国家的安危，就在这一次行动了。现在他不体恤士兵，只顾着自己的私利，可不是能安定国家的臣子！”
十一月，一天早晨，项羽去参见上将军宋义，就在宋义的营帐中砍下了他的脑袋。然后出来向军中下令说：“宋义与齐国勾结谋反楚国，楚王暗中命令我项羽杀了他！”当时，各位将领都被震慑住了，没人敢反抗，都说：“最先拥立楚王的，是将军您的家族，现在将军又诛杀了叛乱之人。”于是大家一起拥立项羽为代理上将军。项羽派人去追宋义的儿子，追到齐国境内，把他杀了。又派桓楚向楚怀王报告情况。楚怀王于是正式任命项羽为上将军。
十二月，沛公带兵到了栗县，遇到刚武侯，夺了他的军队四千多人，合并到自己军中；又和魏国将领皇欣、武满的军队会合，一起攻打秦军，打败了秦军。
原来齐王建的孙子田安攻下济北，跟随项羽援救赵国。
章邯修筑了一条通道连接黄河，给王离运送军粮。王离军队粮草充足，加紧攻打巨鹿。巨鹿城中粮食吃完了，兵力也少，张耳多次派人去叫陈馀来救援。陈馀估计自己兵力太少，打不过秦军，不敢前去。过了几个月，张耳非常生气，埋怨陈馀，派张黡、陈泽去责备陈馀说：“当初我和您是生死之交，现在赵王和我早晚都可能死，而您却拥兵数万，不肯来救我们，这生死与共的交情体现在哪儿呢！如果您真讲信用，为什么不冲向秦军和我们一起死，这样说不定还有十分之一二的机会能保全性命。”
陈馀说：“我估计去了也终究救不了赵国，只能白白让军队覆灭。而且我之所以不和你们一起死，是想为赵王和您向秦国报仇。现在要是一起死，就好比把肉扔给饿虎，有什么好处呢！”张黡、陈泽要求和陈馀一起去死，陈馀就派张黡、陈泽带领五千人先去试探秦军，一到战场，五千人全部战死。当时，齐国、燕国的军队都来援救赵国，张敖也向北收拢代地的兵力，得到一万多人，赶来后都在陈馀的旁边扎营，不敢进攻秦军。