汉二年（前205）四月，刘邦利用项羽平定齐地叛乱陷入山东战场的机会，率领五十六万大军打到西楚都城彭城。
刘邦此行，主要是为了消灭项羽集团，顺便接走家人。刘邦起兵反秦时并没有携带家属，彭城离他的老家沛县只有二百里地，所以，他想这次接走他的父亲、妻子、儿子、女儿。
项羽得知刘邦攻占彭城的消息之后，带了三万精锐骑兵，绕过刘邦重点设防的彭城东面和北面，插到彭城之西的萧县，也就是今天安徽省的萧县。萧县距彭城只有六十里地。项羽到达萧县之后，对彭城的刘邦军团发动突然袭击。
刘邦进入彭城之后，忙于搜刮项羽的财宝、美女，每天饮酒宴会，根本顾不上接他的家人（收其货宝美人，日置酒高会）。项羽从彭城之西，突然袭击汉军。战斗在早晨打响，到中午，楚军已经打败了汉军（晨击汉军而东，至彭城，日中，大破汉军）。
这一仗，刘邦败得极惨。项羽军团“杀汉卒十余万人”，还有“汉卒十余万人皆入睢水，睢水为之不流”。两个“十余万”让刘邦军团受到重创，而且，第二个“十余万”还是被迫跳水逃命，淹死在睢水中。
刘邦本人也被楚军所围，幸亏一场沙尘暴，直冲楚军而来，侥幸逃出重围，只带了几十名随从逃难（大风从西北而起，折木发屋，扬沙石，窈冥昼晦，逢迎楚军。楚军大乱，坏散，而汉王乃得与数十骑遁去）。《史记》有不少此类富有传奇色彩的文字，这是当时美化刘邦的结果，不可轻信。但不管怎样，事实是，刘邦饶幸逃出来了。
刘邦在前面逃，楚军在后面紧追不舍。刘邦在逃命中意外地遇到他的儿子、女儿，就是后来的汉惠帝和鲁元公主。为刘邦赶车的滕公（夏侯婴）匆忙中将刘邦的儿子、女儿抱上了车，但是，楚兵追得急，刘邦担心因为车上多了儿子、女儿跑得慢，便一脚把儿子、女儿踹下车来。夏侯婴一见，赶快停车抱孩子，刘邦还很不愿意。跑了不远，刘邦又一脚把儿子、女儿踹下车来，夏侯婴又忙着停车抱孩子，一连几次这样（推堕孝惠鲁元车下，滕公常下收载之，如是者三）。夏侯婴说：情况再紧急也不能不顾孩子。刘邦这才同意让儿子、女儿跟他一块儿逃，最终摆脱了危险。
前面说过，这表现了刘邦对子女薄情寡恩的一面，但从另一方面看，他毕竟也是父亲，也应有疼爱儿女之心，如此对待自己的儿女，在一定程度上还是由于穷途末路，狗急跳墙，实在无奈。
刘邦是谁？是司令啊！总司令坐着自己的专车只顾逃命，根本谈不上组织有效反击。这样，刘邦军队的建制全被打乱了，可以说，团长找不到师长，师长找不到军长，军长找不到司令。军队的战斗力在于建制，建制一被打乱，整个军队就成了一盘散沙，毫无战斗力可言。这就是项羽奇兵突袭的结果。
项羽这次彭城之战只投入了三万军队，刘邦却有五十六万军队，为什么项羽能以如此少的军队大败刘邦呢？
第一，攻其不备。
刘邦进了彭城，自以为已经稳操胜券，每天喝酒庆功，把当年项羽从咸阳掠走的秦朝的财宝、美女全都收归己有。这恰好应验了范增当年对刘邦的两句评价：贪于财货，好美姬。他对项羽的反攻也有准备，但是，项羽没有在刘邦重兵布防的彭城的北面、东面采取军事行动，而是从彭城西面的萧县进行奇兵突袭，打了刘邦一个措手不及：
围汉王三匝……欲过沛，收家室而西；楚亦使人追之沛，取汉王家。家皆亡，不与汉王相见。
第二，地理和人气优势。
项羽这次是本土作战，是在自己西楚的国土上进行战争，因此，项羽的士兵人人都怀着收复西楚国都的激情参战，战斗力很强。刘邦却是从关中千里迢迢来到西楚都城作战，是侵略军，所以，刘邦在地理上、人气上都不占优势。
这一仗项羽以三万精兵大破刘邦的五十六万军队，杀死汉兵十余万，逼迫汉军跳水淹死十余万，刘邦本人差一点被俘。所以，彭城之战是中国军事史上以少胜多的典型战例之一，名气极大。
彭城之战结束之后，刘邦向西溃退，项羽一路追杀，直至荥阳、成皋一带，刘邦才成功地阻击了项羽的追击。