得知消息的刘邦也顾不上攻打好畤了，连忙率军南下迎击三秦军队，并在斄县县城以东的壤乡、高栎邑（今陕西武功）一带与三秦联军展开激战，成功将其击溃。

击败三秦联军后，刘邦兵分两路，命令曹参率军追击三秦败军，自己则再度率兵北上攻打好畤。

得知三秦联军已败，刘邦再度率兵北上的章平，自知难以抵御，率兵突围而走。与此同时，曹参也再度击败三秦联军，军队直抵废丘外围。

三秦联军溃败之后，章邯已无力再与刘邦野战，只好将所有军队调回废丘坚守。

针对这一局面，刘邦命令曹参率军围困废丘城，围而不打，并令斄县守军增援曹参。而刘邦自己则率领军队继续向东攻打咸阳，剪除废丘外围军队，防止有人增援章邯。

刘邦东进后，先于咸阳以北击败了赵贲和内侍保的军队，进而攻占咸阳，并将咸阳改名为新城。

之后，刘邦在调派主力围攻废丘的同时，又派周勃、灌婴、郦商、靳歙等分别率兵攻掠各地，其中周勃向西北进军，于漆县（今陕西彬县）击败章平、姚卬率领的军队后，又向西攻破汧县（今陕西陇县），后回军攻破郿县（今陕西眉县）等地，在基本平定章邯的封地后，返回废丘短暂休整。不久，周勃又奉命西攻陇西郡，在先后攻破西县（今甘肃礼县）、上邽县（今甘肃清水县），击败章邯部将盗巴后率军返回，奉命驻守峣关。

灌婴则继续向东进军，攻打塞王司马欣的都城栎阳，司马欣在前线接连战败的情况下，迫于形势投降刘邦，灌婴于是回军参与围攻废丘。

此外，郦商奉命平定北地郡和上郡，其先在北地郡南部的栒邑（今陕西旬邑）击败章邯部将焉氏和周类，之后率军进入北地郡，又于泥阳县（今甘肃宁县）击败章邯部将苏驵；靳歙则一路追击章平进入陇西郡，再度大败章平，章平又逃入北地郡，后被汉军所俘，而靳歙则先后平定陇西六县。

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由于刘邦在关中的群众基础，各路汉军在关中百姓的支持下，一路攻无不克，项羽所分封的关中三王，除了章邯仍在死守废丘之外，塞王司马欣和翟王董翳于同年八月先后投降刘邦，刘邦仅用数月，便基本收复了三秦地区。

收复三秦之后，刘邦除了继续派兵围困废丘之外，重新恢复了当年入关时的一系列政策，使得关中百信迅速归附，同时征调萧何进入关中署理政务，巩固自己对关中的统治。

在关中初步稳定后，刘邦趁着王陵驻兵南阳郡的机会，又派薛欧、王吸率兵出武关，与王陵一同前往故乡沛县接父亲和妻子儿女，以及王陵的母亲等亲属入关。

项羽得知消息后，立即出兵陈郡阳夏，防止汉军进入西楚境内，薛欧、王吸等人因为楚军的阻挡，未能接到刘太公、吕雉等人，只得率军返回南阳。

项羽在齐地、赵地、关中先后叛乱的情况下，仔细权衡之后，认为还是刘邦对自己的威胁最大，于是征调兵马，准备西进关中，先行击败刘邦，平定关中叛乱。