汉高祖四年（公元前 203 年），刘邦与项羽皆感战事胶着，难以为继。刘邦于是遣侯公向西楚霸王项羽求和，项羽应允。双方达成约定，中分天下，以鸿沟为界，以西归汉，以东属楚。
项羽还算正直，归还刘邦之父刘太公及妻子吕氏，两军皆欢呼万岁，项羽随即领兵东归。然而，于刘邦而言，放虎归山必留后患。刘邦听从张良、陈平之计，命使者传令韩信与彭越等人，一同发兵攻伐项羽，悍然撕毁刚订立的条约。
汉军由韩信统一指挥。韩信与项羽堪称楚汉争霸时期仅有的两位超一流统帅，然二人交锋之际，境遇已天差地别。彼时项羽众叛亲离，势力渐衰，如落日西沉；而韩信则如日中天，声名赫赫。韩信遣曹参留守齐地，以灌婴为先锋，迅速攻克彭城。此时已被刘邦招降的英布亦遣将领进入九江地区，诱降守将周殷，会同汉将刘贾北上进攻城父。彭越也从梁地出发，向西南进军，刘邦率部自固陵向东进发，对楚军形成南、北、西三面合围之势。项羽难以招架，一路溃败，直至垓下。
当年十二月，四十万汉军与九万余楚军于垓下展开对决。此等以多击少之局面，对韩信而言易如反掌。韩信稳扎稳打，全军持续进击，楚军彻底崩溃，被迫退入壁垒，被汉军重重围困，仿若陷入十面埋伏之境。
项羽的军队在垓下安营扎寨，兵少将寡，粮草匮乏。夜里，项羽听闻汉军军营四周皆响起楚歌，楚军将士心生疑虑，难道汉军已攻下楚国？项羽戎马半生，此等困境尚属首次遭遇。于是霸王与虞姬诀别后上马，率领八百余名精锐骑兵趁夜向南突围。
天亮之后，汉军方才察觉，灌婴随即率领五千骑兵追击。项羽渡过淮河时，能跟上的部下壮士骑马者仅百余人。项羽行至阴陵，迷失方向，遭一农夫欺骗，陷入沼泽地，所以被汉兵追上。项羽又带兵向东突围，抵达东城时，仅余二十八名骑兵，而汉军骑兵追击者达数千人。
面对重重包围，项羽将骑兵分成四队，分别面向四个方向，约定冲到山的东面分三处集合。于是项羽大声呼喊着冲下山坡，汉军皆溃败散乱，项羽斩杀一名汉将。此时汉将杨喜担任骑将，在后追赶项羽，项羽怒目圆睁，大声呵斥，杨喜连人带马皆惊慌失措，倒退数里。汉军不知项羽所在哪一处，便分兵三路再次包围上来。项羽驱马冲上前去，又斩杀汉军一名都尉，杀死百八十人；再聚拢他的骑兵时仅损失两人而已。
而后项羽欲向东渡过乌江。乌江的亭长已撑船等候在那里，对项羽说：“江东虽小，但土地纵横各有一千里，民众有几十万，亦足够称王了。现今只有我有船，若汉军追至，他们也无法渡江。” 项羽笑道：“上天既然要灭亡我，我为何还要渡江呢！况且我和江东子弟八千人渡江西征，如今无一人归来。即便江东父老怜爱我而拥我为王，我又有何颜面去见他们？纵使他们不说什么，我项籍难道心中无愧吗？” 他对亭长说：“我知晓您是位忠厚长者。我的这匹马已跟随我五年，它所向无敌，一日可行千里，我不忍心杀掉它，就把它送给您吧。” 于是命令骑马的人都下马步行，手持短兵器与敌人交战。项羽一人便杀掉汉军几百人。项羽身上也受了十几处伤。他回头看见汉军骑兵的司马吕马童，说道：“您莫非是我的老相识？”吕马童面对着项羽，指给王翳说：“这就是项羽。” 项羽便说道：“我听闻刘邦悬赏千金买我的人头，封万户侯，我就送个人情给你吧。” 于是自刎而死。王翳取下项羽的头，其他骑兵为争抢项羽的躯体互相践踏，自相残杀者有几十人。最后，郎中骑将杨喜，骑司马吕马童，郎中吕胜、杨武各自得到项羽的一部分躯体。五个人把项羽的躯体拼凑完整，皆严丝合缝。故而将原来悬赏的万户封地分成五份，封吕马童为中水侯，封王翳为杜衍侯，封杨喜为赤泉侯，封杨武为吴防侯，封吕胜为涅阳侯。
项羽已死，楚地皆降汉，唯有鲁地不降，因当初楚怀王封项羽为鲁公，当地人秉持礼节，愿为君主守节战死，直至刘邦拿着项羽的人头给他们看，鲁地的长官方才投降。项羽的族系分支，刘邦皆未诛杀，分别予以册封，赐姓刘。
项羽战败后，刘邦再次以突袭之法夺取齐王韩信的军权。汉五年正月，改封齐王韩信为楚王，建都下邳。
