韩信、彭越率军前来与刘邦会合后，其他各路军马也陆续到来，于是汉军军威大振。刘邦心中大喜，任命韩信为诸路军马总指挥，统一负责对项羽的最后决战；又命萧何、夏侯婴运输粮草，供应前方。韩信重新部署战线，对项羽完成了从战略到战术上的包围，并最终将项羽围困于回奔彭城的路上—一垓下（今安徽灵壁县东南，沱河北岸的濠城）。
各路大军不仅对项羽形成了合围的攻势，而且在人数上占有压倒性的优势。项羽这时只有不到10万人的军队，而刘邦这边，仅韩信率领的齐国军队就达30万。并且刘邦大军的补给充足，而项羽的粮草即将告罄。
项羽在垓下登高四望，见汹涌而来的汉兵像蚂蚁一样多，不禁仰天长叹道：“我真后悔当初不听‘亚父’之言杀了刘邦，竟然屡屡被他欺骗；他主动提出议和，相约楚汉两家中分天下，和约既成，如今他却率先背约发兵，真是太不讲信义了！”想到这些，项羽更是怒不可遏，命令10万将士就地扎营，布兵列阵，准备与汉军决一死战。
此时的项羽尽管已经兵疲粮尽，但他并没有被强大的汉军所吓倒。因为自起兵以来，不管敌人多么强大，由他本人亲自指挥的战役从来就没有失败过。
大战开始，韩信撒下天罗地网，来了一个十面埋伏。韩信亲自率部为前锋，韩信的部将孔熙和陈贺为左右军，刘邦居阵中，周勃殿后。
在战斗中，韩信亲自率军向项羽发起进攻，士兵们根据韩信的命令，冲着楚军高喊：“人心皆背楚，天下已归刘。韩信屯垓下，要斩霸王头！”
项羽哪里听得这些，气得七窍生烟，立即挥师杀出。两军对接，战了几个回合，韩信佯装大败，且战且退，项羽穷追不舍。楚将虞子期见此阵势，心中犯起疑惑，提醒项羽说：“韩信这个人足知多谋，现在汉军势众，刚一交战就败退，其中恐怕有诈，大王不必追赶，待我江东援兵赶到再与他决战不迟。”不过，此时的项羽已经按捺不住胸中的怒火，他要打败韩信，活捉刘邦，以解心头之恨，他狠狠地瞪了虞子期一眼，说：“就算他有埋伏又怎么样，我一样能突破他的埋伏圈，我要抓韩信这小子，活捉刘邦这个不讲信用的家伙。”
项羽全然不把汉军放在眼里，挥师一路冲杀过去。追了一阵，忽然汉军伏兵四起，两军鏖战，项羽很快打败汉军，直追韩信。没追多远，又是伏兵四起，截住项羽厮杀，项羽陷入了第二层埋伏。一阵厮杀，项羽又冲破了第二层包围圈。此时的项羽杀红了眼，挥舞着利器，汉军挡着的死，碰着的亡。他一个劲儿地挥师追击，一心要抓住韩信，每追一阵就会有一路伏兵杀出，将项羽围住厮杀。项羽不愧是天下第一位善于冲锋陷阵的猛将，他全无惧色，不惧埋伏，伏兵一次次地杀出，他一次次率军将其杀退，然后又径直追赶，他深信只要抓住了韩信，汉军就会土崩瓦解。眼看就要追上，这时，连声炮响，十面埋伏一起杀出，将楚军团团围住。这是整个楚汉战争中最惊心动魄的一幕，连在高处观战的刘邦都看得胆颤心惊，彭越也一个劲儿地惊呼：“项王真不愧是当世英雄！”然而，尽管项羽勇猛盖世，天下无双，但他杀到此时也已身心俱疲，汉军的攻势越来越猛，楚国渐渐不支，不得已，项羽只得奋力杀开一条血路，带领残部退回垓下，坚壁据守，汉军随即又将垓下重重包围起来。韩信知道，尽管项羽已遭到了重创，但是，要强攻垓下也是很困难的。于是他决定从瓦解项羽的军心入手，“不战而屈人之兵”。韩信找来了一大批会唱楚地民歌的将士，经过一番训练后，准备让他们在夜里大唱楚歌。
此时，10万楚军经过几番厮杀，最后退回垓下的已不足3万人。汉军虽然围而不攻，但楚军也没有能力主动出击，双方就这样僵持着。转眼几天过去了，楚军的粮草渐渐告罄，外来的援兵早在半路上就被韩信的军队击败，被围在垓下的楚军陷入了一筹莫展的境地。时值隆冬，寒风刺骨，楚军将士饥寒难耐，渐渐地有了怨言。一天夜里，寒风凄切，忽高忽低，卷动草木，呼呼作声，既像是怒号，又像是哭泣。伴随着凄惨的寒风，楚歌漫山遍野地响起，歌词的大意是：
“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。……”
这地地道道的乡音触动了楚军将士的思乡情绪，很多人都潸然泪下，有的甚至号啕大哭。将士们无心再战，纷纷逃亡，很多跟随项羽多年的高级将领也都不辞而别，就连项羽的叔父项伯也偷偷离去。一夜之间，项羽身边只剩下数干人。
在四面楚歌声中，项羽悲愤万分，见士卒逃亡，他也不加以制止，他知道大势已去，于是独自与美人虞姬在帐内饮酒解闷。他的那匹骏马名叫乌骓，总是和他形影不离。对着美人和骏马，听着四面楚歌，项羽的心情十分悲痛，于是慷慨悲歌：
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！
项羽唱毕，虞姬也起舞作歌，歌声凄切。歌词是：
汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生。
虞姬唱完这首歌，趁项羽不备拔剑自杀。项羽抚摸着虞姬的尸体，悲痛欲绝。随后他草草掩埋了虞姬，决定连夜突围。
他骑上那匹乌骓马，率领800多名骑兵，乘着夜色从南部迅速突围。到了天亮时分，汉军才发现项羽已突围而去。韩信立即让骑将灌婴率5000骑兵全力追击项羽。
项羽突围渡过淮河，身边的骑兵所剩不到100名。到了阴陵（今安徽淮南市东），又迷失了道路。他向田夫问路，田夫却欺骗了他，结果陷入了大泽中，行动非常困难，被灌婴的骑兵追上。
项羽退出大泽，率部东去，到了东城（今安徽定远县）时，身边只有28骑，而灌婴的数千骑兵已经追了上来。
不过，大敌当前，这位西楚霸王一点也不失霸气和英雄本色，他知道大势已去，但他不愿束手被擒，他要在临死之前演绎一出绝唱。
他对28个部下说：“我起兵反秦到现在已经整整8年，身经70余战，凡是敢于阻挡我前进的敌人，没有一个不被我击破；凡是我要攻取的地方，没有一个不被我征服。我从来没有打过败仗，所以才得以称霸天下。可是，现在我却被围困在这里，这是上天要灭亡我，不是我打不胜的缘故。我知道今天只有死路一条，但是我愿意与你们一道再痛痛快快地打一仗，别看他们人多，我要连胜他们三场，为你们突围，斩一敌将，断一敌旗，好让你们知道，这是上天要亡我，并不是我不会打仗。”
说完，项羽就把28个骑兵分为四队，组成一个方阵，汉军骑兵将他们包围起来，围了一层又一层。项羽对部下说：“看，我先为你们斩一敌将。”随即下令28骑向四面出击，约定到山的东面分三处会合。项羽大喝一声，气冲斗牛，汉军不敢仰视，被吓得纷纷后退，项羽趁势斩杀了一名敌将。
赤泉侯杨喜为灌婴的骑兵将领，见项羽杀了自己的一名战友，愤而追杀项羽。项羽回头怒目斥之，杨喜人马俱惊，回马便跑，跑了数里才镇定下来。
项羽的骑兵按约定在山的东部会合为三处，灌婴的军队不知项羽在哪一处，于是索性把三处都包围起来。项羽又飞驰而出，斩了灌婴的一名骑兵都尉，并一口气杀了几十名骑兵。
项羽把分在三处的骑兵会合在一起，清点人马，只损失了两名骑兵，还剩26骑。他对部下说：“你们看，不是我不能打胜仗吧！”26名骑兵目睹项羽的英勇善战，十分佩服，异口同声地说：“正像大王所说的那样。”
尽管项羽身边只剩下26骑，但他还是凭着自己的勇猛善战从汉军的5000骑兵中突围而去，向东南方向退至长江边的乌江（在今安徽和县北）。
乌江亭长听说项羽战败，很有可能从这里渡江，早已为他准备好了一条渡船在这里等他。见项羽到来，他就驾船迎接项羽说：“大王，江东虽然不大，但也有土地千里，人口数十万，足以称霸一方。现在只有我有渡船，请大王赶快乘船渡江。即使汉军来了，他们找不到渡船，也无法渡江。”
然而，项羽却不愿渡江，他笑着对这位亭长说：“既然上天要灭亡我，那么我为什么还要渡江逃命呢！想当初，我项羽率领八千江东子弟渡江西进，只用了三年时间就灭亡了强大的秦朝，那是何等的威风。但现在却没有一个人跟着我回来，即使江东父老兄弟可怜我，并拥立我为王，我又有什么脸面去见他们呢？即使他们嘴里不说什么，难道我心里就不感到惭愧吗！”
接着，项羽又对这位亭长说：“你是一位长者，非常感谢你的好意。这匹马我已经骑了好几年，骑上它，我所向无敌，它能日行千里，跟着我出生入死，从没有打过败仗。我不忍心杀了它，把它送给你吧，请你好好喂养它。”
说完，项羽便下令跟随他的部属下马，各持短兵器，徒步与追来的汉军骑兵接战，项羽一个人连杀了数百人，自己也受伤10余处。汉军见他如此气势，都不敢接近他，只是远远地围着他。这时他看见刘邦的司马吕马童也在追兵中，这个吕马童曾经是项羽的部下，后来背叛项羽投降了刘邦。项羽指着他说：“你不是我的老朋友吕马童吗？”吕马童只好与他正面相对，并对身边的王翳说：“这就是项王！”
项王对吕马童说：“我听说汉王悬赏千金购我的人头，并封万户侯。现在我也不想再杀人了，成全你们吧，让你们提着我的头去领千金，封万户侯吧！”说完，便拔剑自刎而死。项羽死后，离项羽最近的王翳上前割取了他的人头，其他人为了立功封赏，前去争夺项羽的尸体，互相践踏残杀，有数十人为此丢掉了性命。最后，骑将杨喜、吕马童、吕胜和杨武各争得项羽的一块尸体，再加上取得项羽首级的王翳，他们五个人后来都被刘邦封为列侯。
长达近五年的楚汉相争，就以项羽的全军覆没而告终，刘邦如愿取得了天下。而这一切得感谢用兵“多多益善”的韩信，然而刘邦没有打算感谢他。如今项羽死了，他的下一个矛头所指就是韩信。