气盖世力拔山，见公束手，歌大风思猛士，为之伤怀。
——（清）王志湉
（一）
韩信先后拒绝了武涉和蒯彻的建议，始终不愿拥兵背汉。韩信此举成就了刘邦的帝业，但也为自己掘开了坟墓之门。此时的韩信可能已经意识到了这一点，那他为什么还不愿背叛刘邦呢？或许，正如他对武涉所说的那样，宁死也要报答刘邦的知遇之恩。
武涉回到楚营后，向项羽汇报了韩信不肯背汉协楚之事。项羽无奈，立即传令三军，加强戒备，以防韩信从后背杀来。实际上，韩信所率领的齐军已开到了齐、楚边境，随时都在准备进攻楚国的心脏——彭城。
汉高祖四年八月，刘邦的箭伤已经痊愈。他见韩信的大军已开到楚国边境，便立即赶赴关中，征发新的士卒，加强广武一带的兵力，准备和项羽展开决战。此时的形势对汉军极为有利。首先，刘邦从关中地区征发了新的士卒，兵力有所加强，而项羽已无兵可征；其次，彭越、田横等人据守梁地，不时出兵侵扰楚军的后方，断其粮草，令项羽苦不堪言；最后，也是最为重要的一点，韩信以得胜之兵陈列于齐、楚边境，时刻威胁着彭城的安全。如果楚、汉两军在此时展开决战的话，获胜的一方必定是刘邦。
不过，刘邦也不敢冒然而动。一方面，汉军士卒大多见识过项羽的神勇，对其依然心存畏惧；另一方面，刘邦对韩信极不放心，担心他会在关键时刻反戈一击。因此，楚、汉两军依然在广武一带长期对峙着。
时间一长，项羽兵疲粮乏，有些支撑不住了，于是他便派使者向刘邦求和，企图以鸿沟（古代的运河，大致走向是从今河南省荥阳市到太康县）为界，以西为汉，以东为楚，分而治之。项羽还提出，他会把刘太公和吕雉送归汉营。刘邦觉得这是结束楚、汉之争不错的选择，便答应了。
双方谈判结束后，项羽真的把刘太公和吕雉送到汉营之中，然后安心领兵而去，准备返回彭城。刘邦也下令，择日回师关中。但张良和陈平急忙出来劝止，他们对刘邦说：
“如今项羽引兵东去，毫无防备之心，正是消灭他的大好时机。否则等他恢复过来，再想打败他就不容易了。”
刘邦沉思片晌，觉得张良等人说得有理。不过，单凭他自己的实力还难以打败楚军，所以他还是有些犹豫。张良看出了刘邦的心思，便微微一笑，问道：
“大王是担心我们的兵力不足吧？”
“正是。”
“大王不必忧虑！单凭大王的实力，确实很难打败项羽。不过，我们还有韩信、彭越、英布可用。大王何不许以重利，广约诸侯，共击项羽呢？”
刘邦闻言大喜，立即派使者约彭越、英布、韩信等人共击项羽。不过，刘邦并没有明确表示事成后会给彭越、英布等人什么好处。
汉高祖五年（公元前202年）十月，刘邦的大军追击阳夏南，暂时停了下来，等待彭越、韩信与其会合。然而约期已过，彭越和韩信等人依然未到，刘邦有些着急了，准备单独作战。于是，他便领着汉军追到固陵（今河南省淮阳北）。项羽闻讯后万分恼怒，立即回师攻击汉军。两军混战一场，刘邦不抵项羽，被迫退入壁垒固守。
刘邦十分着急，便问张良：
“寡人与诸侯约定共击项羽，但诸侯不来怎么办呢？”
张良非常坦诚地说：
“大王没有明确给他们的好处，他们自然不会来。如果大王肯与他们共分天下，他们定会召之即来；如果不肯，那结果就很难预料了。倘若大王愿将陈以东到大海之地都封给韩信，将睢阳以北至谷城（今山东省东平县）都封给彭越，让他们为了自己的利益而战，楚军就很容易打败了。”
刘邦沉思了好一会儿，才回答说：
“那就这么办吧！”
张良立即按照刘邦的安排，派几名使者分别往梁地和齐地而去。彭越闻知刘邦许诺给自己这么多土地，心下大喜，立即对使者说：
“请回去告诉汉王，彭越立即发兵。”
韩信本来就打算攻击彭城，帮助刘邦的。如今，刘邦又许诺给他这么多土地，他怎能不按时出兵呢？
（二）
得到刘邦的命令后，韩信立即出兵攻击彭城，出现在楚军背后。与此同时，彭越也从梁地出兵，直奔项羽左翼而去；刘贾等人则从寿春（今安徽省寿县）出兵，经由城父，直奔项羽右翼而来。项羽四面受敌，慌忙退到垓下（今安徽省灵璧县东南）。驻守在舒（今安徽省舒城县）的楚国大司马周殷见项羽必败无疑，立即叛楚归汉，发兵攻打六，尽收九江之兵，往北而来，与刘邦会师垓下。
刘邦、韩信、彭越、刘贾等人很快就将垓下团团围了起来。这时，刘邦做出了他一生中最让人不可思议的决定：立即封英布为淮南王，统领周殷带来的楚军；另外还令韩信为总指挥，调遣各路诸侯的大军。
此时，项羽的手中仅有10万余人，而韩信统领的诸侯联军却有70万之多。垓下之战是韩信指挥的规模最大的战役，也是他第一次以优势兵力围攻敌军。
从理论上说，以70万精兵对10万筋疲力尽的败卒，孰胜孰负，一看便知。但韩信并没有掉以轻心，要知道，项羽之勇可敌万人，楚军士卒也大多可以以一敌十。当年的彭城之战，刘邦的56万诸侯联军就曾被项羽的3万精兵杀得落荒而逃。
韩信将诸侯联军分为三路：一路在左，由孔将军统领；一路在右，由费将军统领；一路在中，由韩信亲自统领。由于史书记载不详，现已无法获悉孔将军和费将军究竟为何人了。有历史学家称，历史上可能并没有这两个人，他们不过是韩信虚构出来的两个人物，其用意是迷惑包围圈中的项羽。
项羽被围困在垓下的第一天，韩信便自领中军前来挑战。项羽见韩信前来挑战，心情十分复杂。想当年，韩信不过是他帐下的一个郎中，而今却成了自己最强大的对手。想到这些，项羽不能感慨万千。
韩信没和项羽说什么废话，而是直接领兵冲了过去。项羽一马当先，冲进了诸侯联军的阵中。他左冲右突，所到之处无人能挡。韩信虽然知道项羽神勇，也曾亲眼见过他入阵杀敌，但看到他今天的样子依然不免心惊。两军混战一阵，诸侯联军渐渐不支。韩信见状，立即下令收兵，往后退去。
项羽纵马前来，紧追不舍，突然，孔将军从左面杀出，费将军从右面杀出。毫无防备的楚军猝不及防，顿时大乱。就在此时，韩信又领兵杀回，与孔将军、费将军合兵一处，共同攻击项羽。两军从上午一直杀到黄昏，士卒死伤无数，血流成河。
天色暗下来后，项羽见楚军渐渐不支，慌忙撤军。等退入军营时，他的10万大军只剩下了数千残兵败将了，其余大多已被诸侯联军斩杀。
项羽脱离了战斗，韩信也不追击，而是令士卒将楚营三面围住，只留南面让项羽突围。刘邦见韩信所布之阵，心中颇为不满，以为他有意要放走项羽。韩信也不辩解，只是说：
“大王请放心，臣明天自会将项王之头呈到帐中。”
刘邦瞥了韩信一眼，说道：
“寡人知道齐王用兵如神，攻无不克，战无不胜，但项羽不同一般的敌人，不可掉以轻心。”
“臣谨记大王的教诲。”
说完，韩信便将自己的计划向刘邦说了一遍。刘邦听完，微微一笑，这才高兴地说：
“此计最妙！”
（三）
夜渐渐深了，诸侯联军的士卒们按照韩信的安排，突然唱起了楚地的民谣。楚军士卒听到熟悉的歌声，无不思念远方的家人。听着听着，他们就情不自禁地流下眼泪。不一会儿，就有人跟着外面的歌声和唱起来。一个，两个……越来越多的楚军士卒加入到这场绝望的大合唱中。唱着唱着，楚军士卒纷纷丢下手中的武器，高举双手，循着诸侯联军的歌声走去。
项羽听到外面唱起楚地的民谣，大吃一惊，凄然说道：
“难道刘邦已经尽占楚国之地了吗？怎么他的士卒都会唱楚地民谣呢？”
项羽起身，令侍卫送来一壶酒和数样小菜，独自喝起酒来。他的爱妾虞姬见状，在一旁凄然落泪。她走到项羽面前，温柔地说：
“大王独饮无趣，就让贱妾给大王起舞助兴吧！”
项羽点了点头。
虞姬也唱起了楚地之歌，然后舞动起自己曼妙的身姿。项羽一边喝酒，一边看虞姬跳舞，不觉悲从中来，低声吟道：
“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”
虞姬听罢，更加心如刀绞，不由低声啜泣起来。她一边舞动水袖，一边和道：
“汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生！”
项羽起身向前，想要扶住虞姬，虞姬见项羽走过来，忽然伸手将他腰间的宝剑拔了出来，自刎而死。
这就是历史上著名的“四面楚歌”和“霸王别姬”的故事，不少文学家都曾以此为题，创作出了脍炙人口的爱情之作。
虞姬死后，项羽便令左右收拢残兵，准备突围。此时，大多楚军士卒已经向诸侯联军投降了，愿意跟随项羽的只有800余名骑兵。项羽想起当年和叔父在江东起兵时的情景，又看看眼前的800余名弟兄，心中不禁感慨万千，黯然落泪。
随后，项羽领着这800余名骑兵向南突围而去。韩信早已料到项羽会从南面突围，但他并没有立即派兵追击。
韩信为什么要这样做呢？或许他是念及旧情，有意要放项羽一马。如果真是这样，刘邦对他产生不满也是情有可原的。不过，这更能表现韩信的大丈夫本色。
天亮之后，有人向韩信报告说：
“项王已经从南面突围了。”
韩信佯装大吃一惊，立即命灌婴率5000名骑兵追击。项羽领着残兵一路狂奔，人困马乏，等到渡过淮河之时，身边只剩下百余人了。但渡过淮河后，项羽已经基本安全了。然而令人惋惜的是，项羽在逃到阴陵（今安徽省定远县西北）时突然迷路了。
项羽看到不远处的田地里有一个农夫正在耕种，便走上前问道：
“我是项王。现在汉兵正在追杀我，我在这里迷路了，请问我该从哪条路返回江东呢？”
农夫指着左边的一条路说：
“从左边走。”
项羽谢过农夫，领兵向左而去。没想到的是，项羽走了没多远就遇到一片沼泽地。项羽见状，不禁感叹道：
“寡人害死了太多的楚国百姓，他们都恨寡人呐！”
于是，项羽又领着残兵败将向东而去，抵达东城（今安徽省定远县境内）。此时，项羽身边只剩下28名骑兵了。由于在沼泽地里耽误了时间，灌婴一行此时已经追上项羽。项羽回顾数千汉军骑兵，自知难逃一死，便大声对身边的人说：
“寡人起兵至今已经8年有余，身历70余战，所当者破，所击者服，从未失败过，想不到今天竟困于此地！这是上天要灭亡我啊，而不是寡人作战不利！寡人今天固然难逃一死，但仍愿为诸君三胜汉军，斩将刈旗。”
项羽将所从28骑分为4队，向四面出击。灌婴将他们团团围住，不留一丝缝隙。项羽指着汉军的一名将军说：
“我为公等杀汉军一将。”
说着，项羽纵马而出，直奔那名汉将而去，所到之处无人能敌。那名汉将立即拨转马头，想要逃命。项羽追上前去，一剑将其刺死。
项羽的旧部杨喜此时正为汉军骑兵将领，奉命追击项羽。他见项羽斩杀了一名将军，便领兵追来。项羽怒目而视，斥骂道：
“你这背主之徒竟敢追击寡人！”
杨喜惊惧，不敢再追，急忙退兵数里。
（四）
一番混战后，项羽的队伍被汉军冲散了，分为三处。汉军不知项羽究竟在哪一处，便将三处楚军全都包围起来。项羽大怒，再次冲进敌阵，一阵乱杀，斩杀了汉军一名都尉及数十名士卒。楚军趁势杀出重围，聚拢在一处。
项羽清点了人数，只损失了两名骑兵。他扭头对身边的兄弟说：
“怎么样？”
众人皆俯身道：
“大王神勇，果然斩将刈旗，为我等兄弟出了一口恶气！”
项羽又领着残兵向乌江（今安徽省和县东）方向逃去，来到江畔后，只见乌江亭长早已撑船在那里等候他们了。乌江亭长对项羽说：
“江东之地虽小，但仍有千里之广，人口数十万，足以称王了。请大王火速渡江，前往江东。这一带只有臣有渡船，汉军追上来也没法渡江。”
项羽回头看了看身边仅存的26名兄弟，凄然说道：
“是上天要亡我项羽，渡江又有什么用啊？当年，项羽曾带着八千江东子弟渡江西去，而今竟无一人生还。就是江东父兄可怜我，不说什么，项羽又有什么脸面去面对他们呢？”
众人听项羽这样说，无不潸然落泪。过了一会儿，项羽拍了拍自己的战马，对乌江亭长说：
“寡人知道您是一位仁厚的长者。这匹马跟着我5年了，曾经日行千里，是一匹不可多得的良马。寡人不忍杀它，就送给你吧！”
说着，项羽令兄弟们翻身下马，持短兵迎战。项羽领着26名楚军将士，背依乌江，一字排开，仿佛27尊挺拔的雕塑。不一会儿，远处便扬起了滚滚烟尘，数千名汉军骑兵已经追到了江边。
项羽抱着必死的决心冲进敌阵，左冲右突，所到之处无人能敌。一番混战后，项羽斩杀了数百名汉军士卒，自己也身中十余刀。项羽回头看了看，自己的兄弟们都已悲壮地死去了，只剩下自己一个人了。
项羽仰天长啸一声，吓得汉军士卒纷纷后退。忽然，他在汉军士卒中看到了吕马童。吕马童姓吕，名伯子，曾是项羽的马童，所以人称吕马童。后来，吕马童投降了汉军，被刘邦拜为骑兵司马。
项羽指着吕马童，大笑道：
“这不是故人吗？”
吕马童对着汉军的另一名骑兵将领王翳说：
“他就是项王。”
项羽又大笑着说：
“我听说，刘邦以千金和万户侯购买寡人的项上人头。看在故人的面上，我就成全你吧！”
说罢，项羽便提剑自刎。王翳、杨喜、吕马童等五人见项羽倒下，都一拥而上，争抢项羽的尸首。在争抢过程中，汉军将士们像发了疯一样，为得到项羽尸首的一部分，不惜刀剑相向，自相残杀。
最后，项羽的尸首被分成5块，王翳、杨喜、吕马童、吕胜、杨武各得一部分。后来，刘邦便将千金和万户侯等分为5份，分别赏赐给王翳等5个人。吕马童被封为中水侯，王翳被封为杜衍侯，杨喜被封为赤泉侯，杨武被封为吴防侯，吕胜被封为涅阳侯。
项羽死后，楚国各地官吏纷纷归附刘邦，唯有鲁地（今山东省西南）百姓不肯降。刘邦想要领兵攻打鲁地，被韩信、张良等人劝止了。于是，刘邦便命人提着项羽的头颅到鲁地招降百姓。百姓们痛哭不止，不得已才向刘邦投降。
