不久，项梁在定陶（今山东定陶）一战中，被秦军偷袭，不幸阵亡，于是韩信又归到项羽的部下。做了项羽的郎中（侍卫）。韩信便利用这种身份，经常接近项羽，并且屡次给项羽献计献策。可是，项羽根本看不起韩信，从来不肯采纳他的意见。韩信见项羽刚愎自用，听不进意见，就想离开项羽．另谋出路。
公元前２０６年１０月．刘邦起义军攻入咸阳，推翻了秦朝的统治。随后，项羽也率军入关。并在同年２月自封为西楚霸王，以梁、楚九郡作为自己的封地。建都彭城（今江苏徐州），同时分封了18个诸侯王。刘邦被封为汉中王，以偏僻的巴蜀、汉中地区作为封地，建都南郑（今陕西南郑）。为了阻止刘邦向东发展势力．项羽又把关中地区一分为三，分封给秦朝的三个降将。
４月，各个受封的诸侯王都率兵回到自己的封地，刘邦也前往南郑。当时项羽只给刘邦三万人，但是愿投降刘邦的就有好几万人，多数是项羽的部下。这时郁郁不得志的韩信便从楚营逃跑，投到刘邦部下。刘邦让他当了一个称为连敖的小官，韩信大失所望。