公元前207年12月，巨鹿城(今河北鸡泽县东北)已被包围数月。章邯修筑了一条甬道，直接与黄河相连。通过这条道路，章邯把大量的粮草、服装、武器、马匹等军用物资，源源不断地输送到王离军中。王离士兵众多、粮食充足，所以加紧了对巨鹿的围攻。
巨鹿城中士兵不多，粮食早已吃光，急切盼望救兵。此时，陈馀率军数万，驻扎于巨鹿城北。张耳数次派人冲出重围，到陈馀军中搬兵求救，命他立刻进攻秦军。陈馀考虑自己兵少，根本不是秦军的对手，所以一直按兵不动，不敢进攻。
张耳大怒，派亲信将领张黡、陈泽再次冲出重围，前往责备陈馀。二人传达了张耳的原话：“当初你我结拜，为刎颈之交，现在赵王和我面临死亡，而你拥兵数万，却不肯相救，愿为对方而死的诺言哪里去了?如果你还讲信用的话，为何不率军冲杀，与我们一块去死?况且还可能有一二成的生还希望。”
陈馀解释：“我根本无力救赵，只能白白的让士兵去送死。之所以不与你们一块去死，是想替你们报仇。现在一定要一起去死，譬如以肉投饿虎，有何用处?”张黡、陈泽坚决要去冲击秦军，陈馀只好派给他们5千精兵，让他们去试一试。结果，刚冲入秦军，5千人就全军覆没。
这时，齐国、燕国的军队以及张敖的万余人，都来到巨鹿城下救赵，但他们只是在离秦军很远的地方挖战壕、修堡垒，并不敢直接与秦军交锋。项羽杀宋义后，威震楚国，马上派遣黥布、蒲将军率军二万，渡过黄河解救巨鹿之围。二人断绝章邯的运粮甬道，王离军粮出现短缺。
陈馀请求项羽再派兵将，项羽亲率楚军北渡黄河。渡河后，破釜沉舟，让士兵每人准备三天干粮，表示要决一死战、不留后路。置之死地而后生，楚军来到巨鹿城下，马上包围了王离，九战九胜，大破秦军，章邯率军撤退。各路救兵乘胜追击，斩杀苏角、活捉王离、涉间自杀。此役，楚军大显神威、勇冠诸军。
最初，面对秦楚大战，十几路救兵没有一路出兵，他们只作壁上观。楚军战士无不以一当十，喊杀声震天动地，各路救兵吓得胆战心惊。大败秦军后，项羽召见各路诸侯将帅，他们刚入辕门，都吓得双膝跪地、膝行而前，无人敢抬头观看项羽。从此，项羽成为诸侯上将军，各路反秦大军统一归其指挥，威权震于四海。
巨鹿大战，楚军可以说是打出了士气、打出了威风，5万楚军大败40万秦军，消灭了秦军主力，成为扭转时局的关键性战役。项羽获得了崇高的地位和威望，为将来自立为西楚霸王、分封诸侯奠定了基础。这次战役是中国古代以少胜多的著名战役，创造了中国战争史上的辉煌。
赵王歇和张耳出巨鹿城拜谢诸侯。张耳责备陈馀不肯相救，并且怀疑陈馀已经杀害了张黡、陈泽，数次询问他们在哪里。陈馀气愤的说：“没想到你对我有那么深的成见，难道想让我放弃军权吗?”于是，解下将军印绶，扔给了张耳，张耳也很吃惊，不愿接受。
恰巧陈馀上厕所，有人趁机劝说张耳：“我听说：上天赐给的东西，如果不要，反而会受到处罚。现在陈将军把大印丢给你，你却不接受，违反天意不吉祥，应该趁机收下它。”张耳这才佩戴好将印，收编了陈馀的军队。
陈馀带领几百亲信人马，跑到了黄河边的湖泊中，暂时依靠捕鱼打猎为生。最初，张耳、陈馀是结拜兄弟，发誓不求同日生，但求同日死。二人都暂时隐身为里监门，张耳年长，陈馀以父事之，对他非常尊敬。巨鹿之战后，二人由生死之交变成了仇敌。
