在大泽乡起义，各地纷纷响应。当年九月，会稽代郡守殷通因赏识项梁，便同他商议反秦事宜。项梁假意迎合，请求派侄子项羽找来桓楚共同起事，殷通同意。项梁携项羽再次会见殷通，在听到项梁暗示后项羽将殷通斩杀，之后项梁携殷通头颅及印绶出门，并让项羽杀死扰乱者。项梁召集豪杰，表明反秦事宜，在吴县举兵起事，聚众八千人，项梁自任会稽郡守，以项羽为裨将，将当地豪杰任命为各级军职，征讨周边各县。
扩充势力：陈胜部将召平听闻秦军将至，为拉拢项梁，假传陈胜命令封项梁为上柱国，并让他带兵西进攻秦。项梁率军渡过长江向西前进，先后吞并陈婴、英布、蒲将军等势力。他渡过淮河时，义军黥布、蒲将军各自率领部众归附，其军队扩充到六七万人，屯驻下邳。
3. 反秦战争中的作为：
击败秦军：项梁的军队与秦军多次交战，取得了不少胜利。前208年七月，项羽听闻东阿情况紧急，率军支援，同章邯军数次交战。同年八月，项梁在东阿大败秦军，派项羽、刘邦二人攻伐城阳，自己则亲率军队追击章邯，在定陶再次击败秦军。
拥立楚王：听闻陈胜已死，项梁召集部将共同商议。居鄛人范增建议拥立楚怀王之孙熊心，项梁赞同，将熊心拥立为帝，亦称楚怀王，项梁则自号武信君。此外，项梁听取张良的意见，立韩国宗室韩成为韩王，以张良为韩国司徒，率领千余人攻韩国旧地。
4. 兵败身死：
项梁在定陶同秦军交战并多次击败秦军后，将领宋义劝说他现在军队处于将领骄傲、士兵懈怠的情况，而秦国士兵还在不断增加，情况危急，但项梁对此不理。
同年九月，秦国调派援军支援章邯，章邯趁夜率军袭击项梁，项梁兵败身死。
