。楚军进至安阳（今山东曹县东南）后，宋义却逗留46天，迟迟不前进。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207年九月），项羽心急如焚，果断矫诏杀宋义。楚怀王无奈之下，只得封项羽为上将军，并令英布和蒲将军两支楚军也归其指挥。项羽先派遣部将英布、蒲将军率领两万人为先锋，渡过黄河（一说为漳水），与秦军展开激战，取得了小胜。
随后，项羽亲率主力渡河，并下令全军破釜沉舟，每人只带三天干粮，以示决一死战的决心。楚军将士们见退路已断，无不以一当十，士气大振。他们过河后，与章邯的军队展开激烈拼杀，章邯抵挡不住，被迫后退。而齐、燕、魏等各路救赵军队起初皆作壁上观，待楚军大破秦军时，才纷纷冲出营垒助战，与楚军一起围攻王离军。经过一番血战，最终俘获了秦军统帅王离，杀死秦将苏角，迫使秦将涉间自杀，巨鹿之围终于得解。
巨鹿解围后，赵王赵歇与张耳出城答谢诸侯。张耳见到陈余，心中的怨气再也无法抑制，责怪他不救巨鹿，并询问张黡、陈泽的下落。陈余称自己给了二人5000军士，他们在进攻围城秦军时不幸身死。张耳却不信，以为是陈余杀了张黡、陈泽，仍一再追问。陈余被问得恼羞成怒，一气之下解下将军印交还张耳。张耳起初愣住未接，后在亲随的劝说下，顺势拿回了陈余的将军印，并接收了他的部队。陈余心灰意冷，率亲信数百人跑到黄河岸边的湖泽中捕鱼打猎去了，这对曾经的“刎颈之交”从此反目成仇。
项羽随后率诸侯联军逼降章邯，又率军进入关中，张耳率军跟从，赵王歇则留在赵国镇守。秦朝灭亡后，项羽开始分封诸侯，他改封赵王赵歇为代王，张耳因跟从入关之功被封为常山王，而陈余仅得到南皮（今河北南皮县北）附近三个县的封地。至此，秦末赵地的权力更迭与巨鹿之战的风云变幻，在历史的长河中留下了浓墨重彩的一笔，深刻地影响了秦汉之际的政治格局。