梅鋗来到河边观瞧，见河水虽然退去，但道路泥泞，仍然无法行走，就立即率领军士填充道路。军士们背土的背土，填柴的填柴，天黑时才填平了所有的沟沟坎坎。梅鋗就指挥楚军发起了冲锋。秦关都尉朱蒯见楚军填充道路，就带领秦军来到上游，尽快地挖掘河道，把一股丹水引到高处来，就从关墙坍塌的地方流过去。这样一来，河水就把刚才楚军填好的道路又给冲垮了。楚军最终还是无法入关。
梅鋗见此，索性带领军士们直接去闯关门。士兵们见梅鋗前去闯关，也都争着抢夺头功，便一齐杀到关下。秦军见楚军强行闯关，慌忙退入女墙内向下射箭。梅鋗冒着矢雨，和军士推着撞车就向关门撞去。可是关门特别厚重，门栓也很结实，根本无法撞开。他正无计可施的时候，忽听后边有人大喊：“梅将军，你躲开，我来了！”原来是庾胜和他的弟弟。二人在营中准备了大火炬，看看梅将军已经逼近了关门，就说：“梅将军待我们不错，这次一定要抢个头功。”两人就冲到了关前，正赶上梅鋗亲自撞门，庾胜就和弟弟捡起地上的火箭，先点燃火炬，然后放在撞车的前端，就向关下冲去。秦国的关门用材非常考究，不是枣木就是榆木，而武关的关门却是用铁桦木做成，这是一种非常坚硬而且又耐火的木材。况且外面还包了一层厚厚的铁皮，再钉上大铜钉。经过这样处理，就算是覆盖上一层稻草，关门也不会轻易地烧毁，所以此门比其他任何一个地方都要坚固，庾胜兄弟准备的大火炬还是未能将关门烧毁。看来关门不仅是最主要的火线，也是最主要的通道，所以秦军在这里做了精心的布置。朱蒯此时见楚军发起了猛烈的进攻，就将檑木打将下来。梅鋗力大，急忙将檑木用枪插住，然后放在撞车上再令军士组成盾牌阵，将点燃的檑木运到关门跟前，准备烧毁关门。
朱蒯见楚军强行闯关，就指挥秦军全部到关上反抗。关前战鼓如雷，喊杀声震天阶响起。朱蒯来到关上，亲自抱起檑木接连向关下猛砸。因为他的确力大，竟然把梅鋗的盾牌阵给砸垮了，楚军将士就暴露在秦军的眼皮底下，接着又是一阵乱箭射来。梅鋗急忙用剑遮拦，大部分人都倒下了。沛公见楚军伤亡惨重，只好下令停止攻城。
朱蒯见楚军退了，就尽快补充防守器械。这天晚上，副将吕胜与参将杨武对朱蒯道：“当今的秦国，赵高乱国，人们对他有切齿之痛。现在二世已死，还不知道秦国谁能力挽狂澜啊？”朱蒯只是摇头，也不说话。吕胜道：“现在就我们的这点兵力，真是很难打退楚军，将军应该马上向朝廷请求增援，如果赵高派援兵来，就说明秦国还有依靠。如果没有救援之军，我们也应该考虑一下后路了！不然就这样不明不白地死去，我们的家人连一个祭祀的地儿都找不到啊？”朱蒯就非常伤感地道：“如果朝廷增援呢？”吕胜道：“就算增援，因为赵高误国，军心早已丧失了，还是怕难以战胜楚人。”朱蒯愕然道：“现在赵高反上作乱，朝廷没有主心骨，我们若不为国死战，这和反贼有什么两样？自古国难识忠臣啊！我已经向朝廷报告了情况，只要我们同心协助，守护关门，再准备充分的檑木、炮石、强弩、硬弓、灰瓶、金汁，晓夜提备，严加防守，可保国家无虞。而你却有这样的想法，亏你怎么能说出口啊？”吕胜顿时满面羞惭，就不敢再说什么了。
朱蒯的信使到了咸阳，这时三世已经杀了赵高，满城都在庆贺，朝廷也有了主心骨。使者就将沛公攻打甚急的情况上报了三世。三世闻听武关告急，急忙召集众文武商议。丞相王绾道：“武关之兵，尽在朱蒯的掌握之中。以前赵高在时，十分亏待边将。现在应该尽快发兵救援，不然楚军攻急，倘若他们临阵倒戈，拔旗西指就不好办了。”三世道：“可是咸阳已经无军可派了啊？”王绾道：“方今之计，陛下应该从关中再招募一批青壮，然后抓紧训练，再派往武关作战啊！”三世道：“眼下武关告急，恐怕招募来不及了。”王绾道：“现在刘邦远道而来，利在速战。而我们有险关固守，只要守住了，贼们就拿我们一点办法都没有。现在陛下应该先写一份激励将士的诏书，先将大家的斗志激发出来，再将所有的隘口全部斩断，贼兵虽有百万之众，也不会飞渡关山，然后尽快招募民兵。”韩谈道：“王老丞相言语十分稳妥，请陛下就按照他的办法执行。不过还可以先送去几百担粮食，这样也能提高士气，武关就一定不会有什么危险！”中车令韩荣、郎将耿沛也道：“好好，先送去一些粮食，也能稳定军心。武关是关中的屏障，固守确为上策。虽然刘邦昼夜攻打，可我们要沉住气。”众位大臣也都纷纷进言，都是这个意思。三世就按照大家的办法，先写了一份诏书，然后派特使连同粮食立即送往武关，然后抓紧募兵。
特使押送着粮食来到了武关，先把三世继位的事情告诉了大家，然后拿出诏令宣读道：“卿等拥边关重兵，抗拒楚军，真是职责所在。朕对你们的请求非常重视，现在正在招募军勇。若是人马备齐，必将尽快开赴武关供卿们调用。而眼下贼们急图入关，希望诸位能固守为上。先送来部分军粮，希望卿们能做长期的打算。倘若旷日持久，贼们粮尽必然不战自溃。至于军法战策，朕不敢贸然过问啊。”
朱蒯见三世的诏令十分谦逊，竟然感动得泪如雨下，就接过诏书，然后向全军传达了三世的诏令。朱蒯随后就引兵上关，与吕胜调遣军马，据关守险。他们西向阻河，东向阻山，中塞隘口。牙将王荣、庞忠引兵五千塞前，徐克、丁冉引五千兵继后。一二十里，军帐连营。朱蒯又亲自引兵登上关楼，挥旗擂鼓，鼓舞士气。吕胜也率领军士登上瞭望塔指挥。二人遥相呼应，秦军士气大振。
沛公见天气已经冷了下来，又见秦军的防守发生了重大的变化，就问子房：“现在秦军的守法和从前大不一样了，这难道有高人在指点吗？”子房回答：“不对，这一定是秦国的新王即位后，向秦军传达了新的命令，秦军因此受到鼓舞，士气振作起来了。”沛公道：“就算这样，我们岂能就此罢休？”子房就请沛公和将士们一起来到关前仔细地勘察武关的地形，然后认真地制定了一套攻关的方案。
数日后的一个早晨，沛公早早升帐议事，然后分兵派将。他把攻关的楚军分成四路：第一路由他亲自指挥，曹参和樊哙担任主攻，周勃与纪信为副手；第二路，梅鋗率领本部将士，从丹水河面搭建浮桥，逆水而上，从浮桥上向关内发起进攻；第三路由戚鳃和王陵指挥，从武关左侧攀爬山岩杀进关去；第四路由灌婴和郦商指挥，从武关右侧爬上山岩杀进关去。第五路由公子信率领部分韩军，作为预备队随时救应各路。如果几路楚军一齐出击，秦军一定顾此失彼，必然有一处会被攻破。人马分拨已定。
一时间，四路大军同时发起总攻。因为第一次梅鋗进攻时，并没有将关门烧毁，所以这一次沛公准备要用撞车捣毁关门。他便率领曹参等人来到了关下，先令周勃和纪信亲自率领军士，推着撞车来到关前，这次撞车上端又加装了一层厚实的长方形的顶盖，可以很好地防止秦军射箭。他们来到关前，先用撞车去撞关门。一下、两下……可是秦军在关上布置了相当精锐的士兵，还在塔楼内填充了富裕的精兵，再加上他们又是居高临下，一眼就能看清楚军的一举一动。这时又见楚军攻来了，就一齐射箭、扔石头、抛檑木，还扔火球，试图给捣毁关门的楚军以沉重的打击。这种办法果然奏效了，楚军的撞车顿时就被打残，最后还被点燃了。撞车起火后，楚军就无法再继续进攻，只好想别的办法。
接下来，楚军用发石车攻关。这种车整体看是三角架形，底部安装了轮子。它在前端挂上一块巨石，士兵在后面将巨石拉起来掉在半空，另一端就是一根长长的木头，尖端再安装一个类似于大勺的凹槽，里面就放上石头，或者是酒坛。石头可以直接打出去，若是酒坛，再将油毡包裹。发送前先将油毡点着，士兵同时松手，前端的巨石突然坠落在地上。根据杠杆原理，就能将石头或者酒坛打出去。酒坛落在地面上，或者是关楼上，就会被碰碎，然后火花四溅，如同炮弹炸裂一般，杀伤力也非常大。沛公就用数乘发石车为前驱。周勃和纪信又准备了干草数十捆，浇上鱼油后点燃，再打出去。此时恰值秋风暴虐的季节，火趁风威，风因火势，烟焰腾空，关上的秦军都被炸得睁不开眼睛，双方逐渐成为胶着状态。
第二路楚军在梅鋗的率领下，他们来到关城倒塌的地方，就组织军士搭建浮桥。这里虽然宽阔，但是关内已经布置了大批的秦兵，就在上游堵截。梅鋗亲自组织弩手向秦军射箭，掩护工程兵。秦军为了阻击楚军，也用硬弓强弩对射。这种逆水而上的浮桥又非常难以建造，楚军就用木船和一些大的浮箱做桥墩。因为要逆水而上，只好将桥建成折带状，从河的东岸建起，将船筏划到西岸，再从西岸建到东岸，分别建成了好几段，才向上游连接成功了。可是楚军为了掩护工程兵，有几百人都死在了河里。
第三、四路攀爬山岩的楚军也是伤亡惨重。因为地面湿滑，他们在攀爬的过程中，又遇到秦军的猛烈反击，掉入山谷者不计其数。一时间，两岩的楚军，前者倒下，后面的又跟上来，杀声震天，鼓角动地。真是相逢狭路，勇者获胜。一些军士占领了高冈后，又等待时机，若是躲过箭矢，就又继续攀爬。秦军还用鱼油泼洒，这种油不怕雨淋，陡的地方滑着上不去，平的地方就点起火，楚军不是烧死，就是坠崖而亡。
沛公指挥主力攻打关门，发石车将所有的发射物发完后，就开始用云梯攻关。这种云梯根据鲁班的造车的方法造出来的，它高大坚固，可依云而立，还能俯瞰到关上的敌人。梯子的顶端装有铁钩，可以钩援关城的外缘，还可以保护梯首免遭敌人的推拒与破坏。当秦军看到这个大家伙时，就慌忙抛下木、石拦截，可是关前隘道，障碍物也受到束缚根本无法拦截这样的大家伙了。
等云梯慢慢地靠近了关楼，上面一员大将身先士卒，他挥舞大刀把守关的秦将王荣一刀斩为两段，此人正是楚军大将曹参，然后他第一个率先跃上了关楼。这时另一员秦将庞忠也飞身而至，只听一个吼声若雷，原来是楚军猛将樊哙杀到，只见他抡起辟地钺，朝着那员秦将就是迎面劈下，庞忠被劈成了两半。曹参和樊哙二人联手，真是勇不可当，一跃就杀进了关楼。二人逢人就砍，遇将就劈，楚军也跟着杀了进去。只听关内杀声惊天动地。秦军看见楚军如此神勇，只得纷纷后退。有一股楚军在靳强、靳歙、柴武、王吸等人的带领下就跃下了关楼，他们杀散守门的秦军，打开了关门。
周勃、纪信见关门大开，便向关内冲杀。沛公也立即率领公子信挥师掩杀进去。这时梅鋗从浮桥上也杀进了关内；戚鳃、王陵、灌婴、郦商等从山岩上也攻进了关防。各路将士同时就向秦军的各个据点发起了冲锋，号称秦国南大门的武关就被楚军牢牢地控制住了。说来也奇怪，一连阴雨沉闷的天气也突然间云开雾散，只见一轮明月若隐若现地爬出了云头。将士们见此，真是欣喜若狂，就赶紧趁亮抢修各处的道路。
沛公见秦军已经退去了，就让曹参、樊哙继续追赶败逃的秦军。一会儿，乌云完全散开了，月亮就把关山照得如同白昼。楚军大约前进了四五十里，军探就回来报告，说是前方的道路越来越狭窄。曹参惊疑道：“前方必有伏兵。”就命令弓箭手开路来到前面，只见河水对面的山崖上，清清楚楚地看到有秦军在设伏。曹参就命令军士对着山涧猛射一通。秦军果然纷纷坠崖。原来是朱蒯见关门被楚军攻破，就率领大队来到狭窄处设伏，他们本想是给入关的楚军杀个措手不及，可是谁知此夜乌云散尽，月亮复出，竟把关山照得如同白昼，秦军就完全暴露在了楚军的眼前，反而被楚军射杀了。朱蒯就认为这是天要亡秦，就痛苦地大叫一声，然后跳岩自尽了。
曹参向沛公报告了秦军设伏的情况，沛公就对左右道：“这真是天要亡秦啊！”就站在武关上说：“十六年前，始皇帝派王翦率领六十万大军出此关灭了楚国。后来楚人都说：‘楚虽三户，亡秦必楚。’没想到今天，楚国的大军也是从这里攻进了武关。”大家感慨不已，回想一年前，他们接受了楚怀王的命令，从砀郡出发，那时只有数千人，可是一路走来，他们经过了无数次的浴血奋战，历尽了千辛万苦，也终于攻入进了秦关。这支队伍也是由当初的几千人发展到了十万人，这是多么的不可思议啊！此时皓月当空，丹水河也逐渐恢复了往日的平静。有诗道：
一统始皇才，谁知撒手乖？
关山千里月，为照楚兵来。
武关前的道路上，楚军拥挤不堪。他们经过三天三夜，部队才全部进入了关内。子房就问沛公道：“武关是秦国的南门，此地十分重要。我们离开了谁来把守？”沛公道：“入关后，就一定要俘获秦帝，成就大功，再守此关有何意义？”子房严肃道：“不对，武关号称秦国的四塞之一，它的得失举足轻重。我们的前方有什么样的险情谁都不知道，若是一旦遇险，还可以从此退出关外，正所谓‘进退有据’。所有必须得有一员大将把守！”沛公一听这话，觉得子房说的对极了，就问谁来把守武关。此时人人都要争着入关，都不愿意留下来。子房就对王陵和戚鳃道：“二位将军对武关及南阳的地形了如指掌，你们守此关最合适不过啊！”沛公也道：“正合我意。”王陵道：“我们正要入关建功立业，却让我们守此空关，这不是让我们享清闲吗？”子房笑道：“将军错了，大军入关后，若是遇到不测，断然不能学那当年的周文将军啊！所以两位将军留下来做沛公的后援，功劳也决不亚于前方的将士。”王陵听了子房的话，恍然大悟道：“都是我不明白把守的重要，现在先生已经说明了守卫的重要，我们当然愿意留守啦。”沛公大喜，就让王陵担任关都尉、丹水侯，戚鳃担任南阳尉、析县侯，统率一万楚军镇守武关。