刘邦见韩信大败项羽，心里十分高兴。他把韩信、张良等叫到营帐中，说：“将军真是我的福将啊！眼下楚军已经退回军营，我们要怎么样才能彻底消灭他们呢？”
韩信说：“大王，自从我们进入楚国，已经招收了不少楚国的士兵。如果我们让这些楚国士兵教会全军唱楚国的民歌，要他们在深夜的时候在项羽军队的四周唱这些歌曲，项羽的士兵一定会思念故乡的，项羽也会以为我们已经占领了整个楚国。到了那个时候，我们就可以不战而胜了。”
刘邦听到韩信的建议，大喜道：“大将军真可谓足智多谋啊！这算得上十面埋伏、四面楚歌了啊！”韩信不答。因为他的心里在想着项羽，一种深深的同情和英雄间的惺惺相惜之情占据了他的整个身心。刘邦采纳自己的计策，项羽一定会兵败的，那么如何面对这位自己曾经的将军呢？
第二天，刘邦就派楚地的士兵去教全军唱楚国的民歌。很快，全军的士兵都学会了。深夜，韩信派这些士兵到项羽营地的四周唱起歌来。
项羽也在睡梦中听到了歌声。他大惊道：“刘邦已经占领了楚国全境了吗？为什么这么多的楚人唱着这么悲伤的歌呢？”
项羽的士兵听到家乡的歌曲，都开始思念家乡了。自从江东起兵反秦以来，四年的时间过去了。在这四年时间里，他们一直跟着项羽南征北战，一刻也没有停止过。家乡的亲人都怎么样了呢？他们还好吗？想着想着，很多士兵暗暗抽泣起来了。楚军的将领们也都听到了歌声，他们的心里也都十分悲伤。不过，此时还不是悲伤的时候，刘邦的联军就在营外等着他们呢！
说着，他起身端起酒杯，一饮而尽。接着走出营帐，看到很多士兵都在偷偷饮泣，心里就像刀割一样难受。这些士兵早该回到故乡和自己的亲人团聚了。就是因为他和刘邦两人的混战，导致这么多的人要跟着自己南征北战，漂泊在外。
想着想着，项羽仿佛看到了自己的失败，他走回营帐继续喝起酒来。正在项羽愁眉不展的时候，他的爱妻虞姬来到了营帐中。虞姬见到项羽，迎上去说：“大王回营了。”项羽见到虞姬，更加难过起来。他端起酒杯，轻轻哼唱道：“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！”骓是项羽坐骑的名字。多年来，项羽骑着它南征北战，经历七十余战从未失败过。但是在垓下，它就是跑得再快，也不能带着项羽走向胜利了。
项羽反复吟唱着出自内心的悲歌，泪流满面，心若刀割。项羽原本是性情中人，感情真挚，秉性坦荡。
忽然，虞姬抽出项羽腰间的宝剑，架在自己的脖子上，对项羽说：“大王，贱妾不愿成为您的累赘，请您带着士兵们冲出去吧！”说着，虞姬轻轻一抹，鲜血就从她粉嫩的脖子上渗了出来。鲜红的血，顺着她的脖子，慢慢地流，一直流到她雪白的衣衫上。在鲜血的映衬下，虞姬就像一朵盛开的玫瑰花一样，美得让人心痛！
项羽见虞姬自刎而死，心里非常悲痛。他想：“我项羽一生南征北战，不料今日要身死垓下了！”想着，项羽忽然捡起落在地上的宝剑，向虞姬的脖子抹去。项羽割下虞姬的人头，往自己的腰间一挂，就走出了营帐。
这时的楚军将士早已被自己楚国的民歌引动了思乡之情，他们已经无心再战，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。自此，军心大乱，一夜之间，项羽身边只剩下了千余人。
这时，天已快亮了。项羽召集了士兵，对他们说：“我项羽今日就要兵败垓下了。我带着大家从江东起兵。四年里南征北战，历尽艰辛，不想大事未成，我就要身死此地了。你们有愿意跟着我拼死一战的，就跟着我去和刘邦大战最后一场，然后痛痛快快地死去。如果你们想回家，我也不勉强你们。想回家的，现在就放下武器，去向刘邦投降吧！”
士兵们见项羽双眼布满血丝，头发蓬乱，腰间还挂着爱妻虞姬的人头，都热血沸腾起来，他们大声回答道：“愿随大王与刘邦战最后一场！然后痛痛快快地死去！”
于是项羽率兵渡过淮水，八百多名亲信壮士仅剩下一百多人。项羽来到阴陵（今安徽定远西北），迷失了道路，向一个农民问路，农民骗他说：“向左走。”项羽信以为真，往左面走，最后陷入大沼泽中。后世有人说，那农民就是韩信故意安排在那里，设计让项羽误入歧途的。
道路泥泞，沼泽陷没马蹄，项王知道受骗，想着回军另走他途。谁知汉军已经追上，一轮混战立即就开始了。项羽不愧号称是“楚霸王”，他组织战士突围时，勇猛异常、无人能敌，让汉军士兵目瞪口呆。项羽以其神勇，威慑敌胆，竟从东城突围出。突出重围时，项王回头看了看自己的部队，只剩下二十六名骑兵，而汉军追上来的有数千人，霸王叹息一声，知道自己绝对没可能逃出包围圈了，他抱定了必死的决心。
项羽回头看了看来势汹汹、越来越近的汉军追兵，此时他的脸上已经没有了焦急的神态。他对二十六名勇士说：“我起兵反抗暴秦，到今天足足八年了！八年来身经百战，从来没打过败仗，于是称霸天下。想不到如今竟然被困这个地方，这是上天不给我生路，要灭亡我，并不是我指挥作战上的过失啊！今天，我决定和敌人决一死战。大家跟随我多年，对我忠心耿耿。我知道你们一定会同我血战到底，就让我来为大家进行一场痛快淋漓的决斗吧！如果我能够突出重围，并斩杀敌军主将，又砍倒敌人的军旗，这种胜利都能够一一实现，那就是说明这是上天要我灭亡而不是我的错误！”
此话说完，项羽用青筋暴露的手紧紧握住手中的战刀，又用力拉了马的缰绳。指挥二十六骑从高处四面出击，约定到对面山坡的三个地方集合。于是，楚军最后的二十七名（包括项王）勇士呼啸而下。项王身先士卒，迎面就将一名汉军斩杀下马。这时，有一名叫杨喜的汉军骑将追了上来，项王怒目圆睁，厉声大喝。杨喜人马顷刻惊慌失措，狼狈退避到几里之外。因为二十七名骑兵分路出击，汉军不知道何人是项羽，于是兵分三路，紧紧追赶。汉军再次包围项王二十七人，项王纵马奔驰，又斩杀一名汉军将领、数十名汉军士卒。等到楚军再次会合时，只是损失了二名骑兵。项羽大声说：“你们觉得怎样？”“大王说的一点也没有错！”剩下的骑兵佩服地点头回答。
项羽再次带着二十四骑，一路冲杀，向东南方撤退到长江西岸的乌江（今安徽省和县境内），终于到达乌江地区的长江北岸。面对着滚滚长江，项羽百感交集。项羽看见大势已去，就对身边的骑兵说：“我自从起兵到现在已经八年了，身经七十余战而未败，遂霸有天下。今困于此，这是天意亡我啊。”
正在此时，乌江亭长驾着一只渡船过来，请项羽渡江，以后卷土重来，再争中原。
此时此刻，项羽悲伤而又十分矛盾的心情，让他踌躇不前。乌江亭长已驾船等待，并催促道：“江东虽小，地方千里，百姓还有几十万人，完全可以在那里称王。大王，请您赶快上船。现在，仅我有船，汉军虽到，是无法渡江的。”
项羽苦笑道：“天要亡我，何必渡江？想当年，我与江东子弟八千人渡淮北进，今天无一人一骑归还，纵然江东父老可怜我，仍尊我为王，但我还有什么脸面再见他们呢？他们虽然不说什么，我难道能不内愧于心吗？”说罢，七尺男儿落下了伤心羞愧的泪水。
他将自己的坐骑送给亭长，命令骑兵都去马，手持短兵器交战。项羽大呼，激战汉军，又杀死汉军几百人，自己也受了十几处伤。他举头一望，突然看见汉军骑将吕马童，便大声说道：“你不是我的故人吗？”吕马童指着项羽，回头对另一骑将王翳说：“这就是项王！”项羽又说道：“我听说汉王悬赏千金、封邑万户要我的头，现在成全你吧！”说罢，就举刀自杀。项羽一死，楚军遂被消灭干净了。一世英雄，就这样血洒乌江，时年三十一岁。
项羽死后，汉军纷纷上前抢夺项羽的人头，好回去请功邀赏。王翳首先抢到项羽的头，几十个人也奔上前来，互相争夺项羽的身体，最后，杨喜、吕马童等四人各抢到项羽身体的一部分。后来，这五个人全被刘邦封为列侯。刘邦这样做，颇具戏剧性。长达五年的楚汉战争，以刘邦取得最后胜利而结束。
然而，当时还有效忠于项羽的势力。他们不是在江东，而是在“鲁”这个地方盘踞。刘邦自然不会忍受项羽的残余势力还在自己的地盘上存在，他开始派兵猛攻。项羽的旧部坚决抵抗，汉军一时难以拿下。
但是当项羽的人头挂在汉军的阵前时，“鲁”终于投降了！由于当年楚怀王曾封项羽为“鲁公”，而最后为他效忠的也是“鲁”人，所以，刘邦将项羽追封为“鲁公”，并以公爵的礼仪在济北谷城安葬了西楚霸王项羽。安葬时，“汉王为发丧，哭临而去。”刘邦这样的做法让人很难理解，不知道是发自内心的感慨，还是欲盖弥彰、笼络人心的幌子。这只有他自己知道了。
相传，还有效忠项王的最后一个势力——“临江王共尉不降，遗卢绾、刘贾击虏之。”刘贾等人将共尉俘虏而回。项羽的兄弟、伯叔等四人也没有被杀害，反而被赐姓为“刘”，封侯爵。其余被俘虏的垓下楚军大营的士卒都释放回原籍。
之后，刘邦发出王朝第一号诏令：“楚汉战争持续了很久，大汉军士八年以来都得不到休息。战争对老百姓所带来的苦难是无法估量的。如今，天下尽归于一统，百废待兴。为了宽待百姓，将在全国范围内进行皇恩浩荡的赦免——除了极端死罪的以外。”
在整个垓下之战中，韩信先以歌谣激怒项羽，使其误入十面埋伏之阵，后用“四面楚歌”之法，致使项羽的八千子弟肝肠寸断，战斗力荡然无存。可以说，这是韩信采用的心理战略的成功战例，充分显示了韩信卓越的军事指挥才能。
韩信作为项羽的克星，又该如何评说？只能借用明代学者茅坤的话，称之为“兵家之仙”了。“成者为王，败者为寇”，韩信没有做上皇帝，自然也就难以被人歌功颂德了。
从此，刘邦统一了全国，长达四年之久的楚汉之争结束了。刘邦也感到了一种前所未有的寂寞。他忽然发现，自己心里其实是尊重项羽的。因为楚怀王曾封项羽为鲁公，项羽死后，鲁地又是最后一个投降的，所以刘邦就按照鲁公的礼仪把项羽安葬在了谷城。刘邦亲自为项羽发丧，并在他的坟前痛哭了一场才离去。当刘邦为项羽痛哭的时候，他的心里到底想了些什么，至今不为人所知！此时有一个人比刘邦更加伤心，更加寂寞。他就是韩信。韩信在项羽的帐下虽然没有受到重用，但是他依然敬佩这位顶天立地的男子汉。
只是，在项羽灭亡后，韩信的处境就岌岌可危了。刘邦嫉妒韩信，害怕韩信夺权，这已经是明显的了。这次攻打项羽，韩信没有主动参战，又让刘邦更是耿耿于怀。自认为劳苦功高、应当安享富贵的臣子，遇到了一位老谋深算、并把他视为潜在对手的主子，韩信的历史悲剧就不可避免地产生了。