公元前202年，由于韩信占领了黄河中、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，刘邦兵足粮足，在荥阳以西稳住了阵脚。这时胜利的天平已然倾向了汉王刘邦这一边，韩信没有选择自立为王、三分天下，保得汉王自家后院没有起火，上下一心共同出击项羽，此消彼长，项羽那边明显落了下风。从楚王项羽心理变化上也能看出答案，一贯极端自负、刚毅不屈、坚信以武力征服一切的项羽，这时竟然想通过外交游说韩信背离刘邦，以期获取战场上他难以得到的东西，可见他当时的处境已经到了何等岌岌可危的程度。最后一役虽还没有打响，但楚汉战争的结局由此已经初见端倪。
汉四年九月，项羽拔营东归，准备固守楚地，回兵彭城。这年十月，刘邦见围歼项羽的时机已经成熟，便采纳张良、陈平的建议，率兵出阳夏（今河南太康县），同时传令各路诸侯率军西向，在固陵（今河南淮阳西北）会师。不久，韩信、彭越、英布等诸路兵马先后到达，从成皋到荥阳一路相连数百里，人马跃动，震天动地。刘邦见诸路兵马如期而至，心中大喜，当下命韩信为总统帅，指挥各路大军；又命萧何、夏侯婴运输粮草，供应前方。
汉五年十一月，刘邦率兵进入楚地，围攻寿春（今安徽寿县）。又派人诱使驻舒县（今安徽庐江县西）的楚国大司马周殷叛楚降汉，以舒县兵屠破六（县名）县。到了十二月，终于将项羽围困于回奔彭城的路上垓下（今安徽灵璧县东南，沱河北岸的濠城）。
项羽兵至垓下时，登高西望，只见汹涌扑来的汉兵像蚂蚁一样多，不禁仰天长叹道：“我悔不该当初不杀刘邦，竟受他欺骗，与他议和。如今他背约发兵，太无信义了！”项羽虽怒不可遏，但是知道自己还有翻盘取胜的机会，命十万将士就地扎营，布兵列阵，准备与汉军决战，准备于乱军之中斩杀刘邦，借汉军统帅被杀、群龙无首之时来个绝地反击。这样的安排虽然属于上策，但是又显然不符合项羽的个性，对于这样骄傲的王者来说，向来是以气吞山河、勇往直前取胜的，当年虽兵力不济，也要“破釜沉舟”挥兵直插敌营，可见在项羽这个统帅骨子里就只有进攻，他认为进攻就是最好的防守。在此绝境下，项羽虽一反常态地打起防守战，韩信却看出了他的弱点。
韩信向刘邦请命，希望由自己指挥这场最后的大决战，刘邦亲自将韩信送出军营，说：“我将在此等待将军凯旋的消息。”一时间，这对君臣仿佛又回到了当日拜将的时刻，韩信知道他要做的是什么。韩信受命汉军总统领之后，对项羽阵营进行了分析，知道此战凶险，项羽有力拔千钧之势，号为“西楚霸王”，勇冠三军，又值此危难时刻，定会全力以赴。况且楚军列下阵势，以逸待劳，自己与之硬拼，胜负之数就未可知了。于是韩信设计，将三十万人马分成十队，布置了十面埋伏阵，四环接应。由他自己亲率三万人马上前挑战，诱敌深入，变被动为主动。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！”本该固守营盘，以逸待劳的项羽听到这些，再也忍耐不住，把自己先前的计划抛之脑后，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。伏兵接连四起，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，动弹不得！一晃几日过去，粮草断绝，外无援兵，不禁陷入一筹莫展的苦境。时值隆冬，寒风刺骨，雪飞冰凝，楚军将士忍饥受冻，多有怨声。这天夜里，寒风凄凄，忽高忽低，像是怒号，又像是哭泣。随着凄切的风声，四面隐约地传来楚歌，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，孤立山冈。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，对身边的爱妃虞姬说：“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，连跟随项羽征战多年的将军们，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。次日凌晨，项羽别虞姬突围，几经转战，只身来到乌江（今安徽和县东北四十里江岸的乌江浦）边，见前有滔滔江水，后有汉将灌婴率兵紧追不舍，心灰意冷，无颜再见江东父老，便拔剑自刎了。一代悲剧英雄，就这样血洒乌江之滨，时年31岁。自此，历时四年的楚汉战争终于以刘邦的胜利而告终。
此役韩信充分分析了楚王的优劣势所在，楚王的优势在于其固守之地离江东大营不远，如其谋士所说：“待江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再与之交战也不迟。”所以此役的关键在于争取时间，在项羽援兵尚未赶到之时结束战争。楚王项羽的另一个优势所在就是，自己只需要固守阵地，等待时机，待到攻击一方损失惨重、士气低沉之际再主动出击，插入汉营斩杀刘邦也不迟。可惜占据这些优势的项羽却没有利用这些优势，不是他不想用，只因韩信明白楚王的弱点，那就是绝对的自信与不冷静的头脑。而这些正是由于项羽本身打过胜仗无数，而这些胜仗都来源于自己勇猛的进攻，这才导致了他敢于放弃防守优势，投入正面的冲杀、追击韩信。而就是这样不冷静的举动，才使得他一步一步地将自己的军队带进了包围圈。而后韩信再用“四面楚歌”之法，致使项羽的八千子弟思乡心切，战斗力荡然无存。垓下本该是项羽临近故乡，等待援兵的有利位置，却被韩信瞬间转化为楚军逃亡的地理劣势，可以说，这是韩信采用的心理战略的成功，充分显示了韩信卓越的军事指挥才能。
看到这里，读者会想为什么韩信的心理战术用在项羽身上会屡屡建功。其实很简单，项羽也许不是个骄傲自负的人，但他的地位身居项王、号令天下，岂能容忍一个“胯下小儿”的挑衅。面对项羽这样一个强劲的对手，既然不能用兵强取，那就只好用些非常手段了。也许韩信在对待项羽这样的豪杰时，用计将其活活逼死是有些不大光彩，但是作为一名战场上的军事统帅，只顾及颜面而不管士兵的生死，这似乎更不应该。而韩信在结束了这场战役后，也彻底完成了汉王授予他的军事使命，不愧当年轻狂少年受封大将军之名。