汉五年（公元前202年）汉军集团：刘邦（4万兵马）、韩信（30万兵马）、彭越（6万兵马）、英布（3万兵马）等各路汉军约计40余万人与项羽的10万楚军于垓下展开决战。汉军以韩信（10万兵马）率军居中，将军孔熙（10万兵马）为左翼、陈贺（10万兵马）为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃（4万兵马）断后。楚军集团：龙且的3万前锋军，季布、召平、虞子期共计4万右路军，项羽带领的3万近卫骑兵迎战。
项羽与刘邦订立和约后，立即率军东归。刘邦也打算西撤，但张良、陈平一致反对，说：汉有天下太（大）半，而诸侯皆附之。楚兵疲食尽，此天亡楚之时也，不如因其机而遂取之。今释弗击，此所谓“养虎自遗患”也。于是刘邦决定毁约追击楚军，并约韩信、彭越南下会师，合力击楚。汉高祖五年（公元前202年）十月，刘邦引军追击楚军至固陵（今河南淮阳北），韩信、彭越均未赶来。楚军返身发动突然进攻，汉军不支，退入壁垒固守。但项羽未能乘胜扩大战果，进一步围歼汉军，而与之对峙于固陵，这样就使刘邦得以喘息待援。为使韩信、彭越安心助汉击楚，打败项羽，刘邦采纳张良的建议，封彭越为梁王,明确并加封了2人的封地。韩信、彭越2人果然率部前来会师。十月下旬，灌婴引兵进占彭城，同时攻下楚地许多地区。被刘邦封为淮南王的英布也遣将进入九江地区，诱降了守将、楚大司马周殷，随后合军北上进攻城父（今安徽涡阳东）。刘邦也由固陵东进，形势对楚极为不利，项羽被迫向东南撤退。十一月，项羽退至垓下（今安徽灵壁东南，一说在今河南鹿邑县境内），筑垒安营，整顿部队，恢复军力，此时楚军尚有约10万人。十二月，刘邦、韩信、彭越、英布4路大军会师垓下。韩信军30万，分3路首先与楚军接战，韩信居中路，进攻失利，向后退却，同时命左右两翼投入战斗，楚军受挫，韩信又返身冲杀，3路合击，楚军大败，项羽被迫入壁而守。韩信遂指挥各路大军将楚军重重包围，楚军屡战不胜，但汉军一时也难以彻底打败楚军。
僵持中，汉军夜间高唱楚歌。（传说中有称是张良用计，让汉军夜夜高唱楚歌以瓦解楚兵斗志，但《史记》中实际并无谁故意“用计”的记载，部分学者认为可能是同为楚人出身的刘邦部队看到数年征战，最后胜利在望，自发地唱起楚歌。）项羽夜闻四面皆楚歌，以为楚地已尽为汉所得，眼见大势已去，便乘夜率领800精锐骑兵突围南逃。天明以后，汉军得知项羽突围，乃遣5千骑兵追击。项羽渡过淮水后，仅剩百余骑相随，行至阴陵（今安徽定远西北）因迷路耽搁了时间(《史记》中交代因田父欺骗），被汉军追及，项羽突至东城（今安徽定远东南），手下仅剩28骑。
项羽指挥这28骑，将汉军骑兵杀得人仰马翻，再次杀开一条血路，向南疾走，至乌江（今安徽和县东北长江边的乌江浦）边，自觉无颜见江东父老，乃令从骑皆下马，以短兵器与汉兵搏杀，项羽一人杀汉军数百人，自己身亦被十余创，最后自刎而死，年仅31岁。项羽死后，汉军全歼楚军，楚地皆降汉，独项羽原封地的鲁人不肯投降（楚怀王曾封项羽为鲁公），后刘邦将项羽首级示鲁，鲁人乃降。至此，历时4年半之久的楚汉战争终以刘邦的胜利而告终。
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