勝率領起義軍直逼陳城。這時起義軍已擁有戰車六、七百乘，騎兵一千多人，步卒數萬之眾。陳地郡守和縣令聞風喪膽，早逃之夭夭，隻留下郡丞（郡守副職）龜縮城內，負隅頑抗。守城秦軍在起義軍的強大攻勢下，很快土崩瓦解。起義軍殺了郡丞，浩浩蕩蕩開進陳縣縣城。
陳勝打下陳縣後，即召集當地三老（秦在鄉設置負責教化的官）和豪傑（有聲望的人）共商大計。他們雖不是來自農民階級，但也都目睹、親曆了秦朝暴政，特別是看到了陳勝率領起義軍短短一個月就連克數縣，對陳勝也十分敬重，紛紛建議陳勝稱王。他們說：“將軍身被堅執銳，伐無道，誅暴秦，複立楚國之社稷，功宜為王。”（《史記·陳涉世家》）但也有少數不同議論：認為陳勝自立為王，會讓天下人覺得陳勝有私心，而不願相從。陳勝思慮再三，最後還是果斷地做出了稱王立國的決定，就以陳縣為都城，“號為張楚”，建立了中國曆史上第一個農民革命政權。陳勝打的旗號雖是“張楚”，但並不以恢複楚國故土為目的，而是要推翻秦王朝，解救天下的窮苦百姓。這是他“鴻鵠之誌”、“王侯將相寧有種乎”思想的身體力行，也是他對統一號令起義軍的戰略考慮。後來農民革命的實踐，有力證明了陳勝決定稱王立國的必要性。
張楚政權的建立，推動了全國範圍反秦鬥爭的高潮，高高飄揚的“張楚”大旗，成了農民起義中心的標誌，顯示了巨大的號召力。各地以“張楚”軍名義“數千人為聚者，不可勝數。”（《史記·陳涉世家》）農民起義的烈火已成燎原之勢。在農民革命洪流的推動下，一些貴族殘餘勢力也紛紛收羅舊部，起兵反秦。當時各地反秦力量的著名首領有劉邦、項梁、項羽、英布、彭越等多人。
麵對日益高漲的反秦鬥爭形勢，陳勝在吳廣及其他農民政權成員的協助下，進一步確定了“主力西征，偏師略地”，最後推翻秦朝統治的總體戰略。他任命吳廣為假王（副王），率領起義軍主力西擊滎陽，取道函穀關，直搗秦都鹹陽。同時“令銍人宋留將兵定南陽，入武關”，進而迂回攻關中。隨後又任命武臣、鄧宗、周市、召平等為將軍，分別北渡黃河，進攻原趙國地區（今山西北部、河北西南部），向南攻取九江郡，深入淮南地區；進攻廣陵（今江蘇揚州市北）、魏國舊地（今河南東北部接連山西西南部），攻取長江下遊、黃河以南大梁（今河南開封）等地區。一時間，反秦鬥爭的烈火燃遍了大江南北。各路起義軍勇猛作戰，所向披靡，農民革命達到了高潮。
吳廣久攻滎陽不下，大軍西進受阻。滎陽是通向關中的重要通道，自古以來就是兵家必爭之地，附近還有秦囤積大量糧食的敖倉。拿下滎陽，就打開了通向關中的門戶。再取敖倉，既可切斷秦軍糧草供應，同時也解決起義軍的軍需問題。陳勝派重兵攻取滎陽的戰略意圖非常明確。當吳廣攻取滎陽受挫的消息傳回陳縣，陳勝十分著急，為確保戰略意圖的實現，即決定另派周文為將軍率兵西擊秦，利用吳廣大軍牽製秦軍主力的條件，繞過滎陽，直取函穀關。周文大軍斬關奪隘，勢如破竹，一直打到離秦都鹹陽僅百餘裡的戲地（今山西臨潼境內）。進軍途中，百姓奮起響應，隊伍不斷擴大，當時已擁有戰車千乘，士兵數十萬人。
秦二世聞聽起義軍逼近鹹陽，依少府章邯之謀，赦免在驪山陵服役的幾十萬刑徒，封章邯為將軍，臨時組編軍隊狙擊義軍。正在休整的農民起義軍被突如其來的幾十萬秦軍打了個措手不及，被迫退出關中。在曹陽亭（今河南靈寶東北）固守、抗擊秦軍數十天後，又敗退澠池。周文在幾經挫創、無糧無援的情況下，又率部與敵激戰十餘日，終因寡不敵眾，拔劍自刎。
周文大軍失敗後，氣焰囂張的章邯帶兵繼續東進，圍攻滎陽的農民軍麵臨腹背受敵的危險，起義軍將領田臧與吳廣意見不合，認為“假王驕，不知兵權，不可與計，非誅之”（《史記·陳涉世家》），假借陳勝之名殺害了吳廣，結果導致這支起義軍部隊全軍覆沒。
形勢就此開始逆轉。起義軍內部的弱點和矛盾逐漸暴露出來。一方麵，陳勝稱王後，其思想逐漸發生演變，與群眾的關係日益疏遠。比如早先和陳勝一起給地主種田的一個同鄉聽說他做了王，特意從登封陽城老家來陳縣找他，敲了半天門也沒人搭理。直到陳勝外出，攔路呼喊其小名，才被召見，一起乘車回宮。因是陳勝的故友，所以進進出出比較隨便，有時也不免講講陳勝在家鄉的一些舊事。不久有人對陳勝說：“客愚無知，顓妄言，輕威。”（《史記·陳涉世家》）陳勝便十分羞惱，竟然把“妄言”的夥伴殺了。當年所說的“苟富貴，勿相忘”的話早拋到了九霄雲外。自此以後，“諸陳王故人皆自引去，由是無親王者”（《史記·陳涉世家》）。另一方麵，隨著反秦鬥爭的開展，革命隊伍內部的離心傾向也在滋生蔓延。陳勝派往各地的將領各存異心，爭相稱王，起義軍內部公開分裂。如北征的武臣自立為趙王，蛻變為割據頭目。其部將韓廣在攻略燕地後也自立為燕王。攻取魏國舊地的周市雖未自立為王，卻立了魏國後裔寧陵君咎為王，而自任魏相，割地自保。與此同時，群起響應的各地英豪也不再聽陳勝節製，直接孤立了作為反秦主力的陳勝“張楚”政權，給了秦軍反撲的機會。
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