公元前二零二年，韩信占领了黄河中、下游的广大地区，彭越又在梁地不断骚乱，使楚军供应困难，形势对项羽越来越不利。而汉军方面，萧何不断从关中运送兵员和粮草，支援前线，刘邦兵广粮足，在荥阳以西稳住了阵脚。

五年十月，因韩信、彭越未能如期南下，刘邦追击楚军至固陵，楚军反击，汉军大败。为调动韩信、彭越，刘邦划陈以东至海广大地区为齐王韩信封地；封彭越为梁王，划睢阳以北至谷城为其封地。韩、彭遂率兵攻楚；韩信从齐地南下。

韩信占领楚都彭城和今苏北、皖北、豫东等广大地区，兵锋直指楚军侧背，彭越亦从梁地西进。汉将刘贾会同九江王英布自下城父北上；刘邦则率部出固陵东进、汉军形成从南、北、西三面合围楚军之势，项羽被迫向垓下退兵。

五年十一月，刘邦率兵进入楚地，围攻寿春。又派人诱使驻舒县的楚国大司马周殷叛楚降汉，以舒县兵屠破六县。

五年十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计四十万人完成战略部署：以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。将项羽围困于回奔彭城的路上——垓下。

项羽兵至垓下时，登高西望，汉兵汹涌扑来，不禁仰天长叹道：“我悔不该在鸿门宴上不杀刘邦，竟受他欺骗，与他议和。如今他背约发兵，太无信义了！”项羽怒不可遏，命十万将士就地扎营，布兵列阵，准备与汉军决战。

韩信受命汉军总统领之后，将三十万人马分成十队，实施了万世惊叹的“十面埋伏”阵。韩信请刘邦守住大营，他亲率三万人马上前挑战。士兵按韩信命令，冲着楚营高喊：“人心皆背楚，天下已归刘。韩信屯垓下，要斩霸王头！”项羽一听，气得七窃生烟，率众冲杀出去。两军相接，交战几个回合，韩信且战且走，把项羽引进了包围圈。楚将虞子期怕中埋伏，打马追上项羽。劝道：“韩信多谋，汉军势众，主公不必急于追杀，待我江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再杀他也不迟。”此时项羽已怒不可遏，如何能听进这些话，他狠狠瞪了虞子期一眼，全不把汉军放在眼里，一直杀奔过去。

忽然杀声四起，汉军伏兵两路杀出。两军鏖战一阵，项羽冲开汉军，直追韩信。没追出多远，又有两路伏兵杀出，截住项羽，再度厮杀，不多时，又被项羽冲破。项羽气得血往上涌，一心要抓住韩信，径直追去。接连汉兵伏兵四起，十面埋伏，一起杀出，将楚军团团围住。项羽方知中计，余气未消，身心俱惫，只得奋力杀开一条血路，带领残部退回垓下大营。十万楚军经过几番厮杀，剩下的已不足两三万人，垓下被围，岂能动弹！

此时，楚军粮草断绝，外无援兵，不禁陷人一筹莫展的苦境。

时值隆冬，寒风刺骨，雪飞冰凝。

韩信再施计谋：“四面楚歌”。将士们按照韩信的命令，放声高唱楚地的歌谣。歌声随着凄切的风声，传来楚营，低沉凄怆，如泣如诉：“寒月深冬兮，四野飞霜，天高水涸兮，寒雁悲怆。最苦戍边兮，日夜彷徨，披坚执锐兮，孤立山岗。虽有田园兮，谁与之守？邻家酒热兮，谁与之尝？白发倚门兮，望穿秋水，稚子忆念兮，泪断肝肠。终生在外兮，何时反省？妻子何堪兮，独宿空房。一旦交兵兮，蹈刃而死，骨肉为泥兮，衰草沓茫。魂魄幽幽兮，不知所往，壮士寥寥兮，付之荒唐……”

项羽听了，暗暗吃惊，对虞姬说：“莫非汉军已把楚地全占了吗？为什么汉军里有那么多楚人呢？”

楚军将士也被这歌声引动了思乡之情，无心再战，纷纷逃散，连跟随项羽多年征战的将军们，也暗地里不辞而别，就连项羽的叔父项伯也偷偷离去了。军心大乱，一夜之间，项羽身边只剩下了千余人。项羽愁眉不展，坐卧不安，连声叹息。上演了千古绝唱——霸王别姬。

项羽见大势已去，乘夜率八千骑突围南逃。刘邦遣灌婴率五千骑兵追击。几经转战，项羽只身来到乌江边，见前有滔滔江水，后有汉将灌婴率兵紧迫不舍，心灰意冷，无颜再见江东父老，拔剑自刎。

一代悲剧英雄，就这样血洒乌江之滨，时年三十一岁。

自此，历时四年的楚汉战争终于以刘邦的胜利而告终。