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次日清晨，项羽前去拜见宋义，趁着宋义宿醉未醒，一刀将其斩杀，然后提着宋义的头告诉将士们说，“宋义想要联合齐国谋反，楚怀王暗中命我将其斩杀。”

将士们大多对宋义心存不满，闻听此言，纷纷推举项羽暂代上将军，即使有那不服之人，但眼见宋义已死，慑于项羽之威，也不得不赞同附合。之后，项羽派遣桓楚将此事告知楚怀王，熊心得知消息，暗骂宋义无能，但事已至此，他也只能接受现实，于是派人任命项羽为上将军，统领楚国援赵军队。

夺取兵权后，项羽派遣当阳君英布和蒲将军率领两万士兵渡河，多次攻打章邯给王离输送粮食的甬道，想要切断王离军团的补给，但因秦军数量太多，收效甚微。赵将陈馀遂请项羽再次发兵，项羽于是率领全军渡河，破釜沉舟，全军只携带三天粮食，以必死的决心向秦军发动进攻。

项羽率军向章邯军团与王离军团的结合部接连发动进攻，与秦军先后大战九次，迫使章邯军团向南收缩，从而彻底切断章邯军团与王离军团的联系，切断了王离的补给线。

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击退章邯后，项羽继续率兵北上进攻王离军团。见到项羽击退了章邯，其他各路援军大受震撼，这才纷纷向巨鹿进兵，配合项羽围攻王离军团，杀死秦将苏角，活捉王离，秦将涉间见大势已去，举火自焚而死，王离军团或死或逃全面溃散，巨鹿之围遂解。

鉴于项羽和楚军在此战中的表现，各路援军对项羽十分敬畏，纷纷奉他为主，请他统率诸侯联军。

直到此时，被秦军围困了数月之久的赵歇和张耳这才得以走出巨鹿城，感谢前来增援的各路义军。张耳见到陈馀，责问其为何不肯回援，并追问张黡、陈泽的下落，陈馀回答说，“张黡、陈泽以同归于尽责备我，我派他们带领五千人马先尝试着攻打秦军，结果全军覆没，没有一人幸免。”

张耳哪里肯信，怀疑是陈馀不想回援，这才杀死了两人。

陈馀见相交多年的张耳竟然怀疑自己，怒道，“没有想到你对我的怨恨竟然如此之深，你以为我是舍不得这将军之位吗？”说罢，便解下印信交给张耳，张耳惊愕万分，不肯接受，陈馀怒而起身，将印信放在了桌子上，转身离去如厕。

这时，有个宾客劝说张耳道，“陈将军把印信交给您，您不接受，便是违背天意，会遭遇不祥，赶快接受吧。”张耳这才拿起了桌上的印信，戴在了自己身上。

陈馀归来，发现张耳果然收了印信，心中更是悲愤交加，愤而转身离去。于是，张耳收编了陈馀的军队，陈馀则率领着亲信部下数百人，前往了黄河边的湖泽之中捕鱼打猎去了。原本极为交好的陈馀和张耳，就此反目成仇。

王离军团被消灭后，章邯被迫向西收缩兵力，准备应对诸侯联军的进攻。

项羽则命令诸侯联军从巨鹿向西进军，在章邯军团的西部和北部布置防线，项羽自己则率军退回漳水以南，切断章邯渡河撤退之路。

此时的章邯，虽然手中仍有二十万军队，但由于项羽切断渡河退路，再加上司马卬攻陷河内郡，刘邦攻破东郡，切断了后勤补给，处境可谓十分不妙。

面对步步紧逼的诸侯联军，章邯虽然数次抵挡住了诸侯联军的攻势，但面对不断收缩的包围圈，只能被迫不断向西收缩兵力。到最后，章邯军团以西被太行山所阻，其余三面则皆为诸侯联军，可谓陷入绝境。

为了挽回败局，章邯在积极巩固防线的同时，派长史司马欣返回关中，希望皇帝发兵救援。然而，当司马欣风尘仆仆的赶回关中，才发现此时的秦国已经变了天，左丞相李斯、右丞相冯去疾、御史大夫冯劫已死，赵高接任丞相把持朝政后，便任命弟弟赵成担任郎中令，掌握宫城内外禁卫军，又任命女婿阎乐担