公元前203 年冬，项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。刘邦又派纪信装扮成自己去楚军诈降，乘机逃出荥阳。项籍加紧围攻荥阳，并夺取成皋。

为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛(今河南南阳)、叶(今叶县南)，想引诱项籍南下。为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳 (今江苏邳州南) 。项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。六月，项羽以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。

刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻雎阳(今河南商丘南)、外黄等地，再次迫使项羽回救。四年十月，刘邦用计再次收复成皋。

项羽在击败彭越后，寻找汉军主力决战不成，屯兵广武(今荥阳北)与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项羽腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。九月，项羽引兵东归。这就是现在象棋棋盘上“楚河、汉界”的来历。

汉王五年（公元前202年）十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计70万人与10万久战疲劳的楚军于垓下展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军首先诈败，韩信引兵后退，命左、右两翼军包抄攻击楚军后部步军。楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑士分割为两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。然后楚军退入壁垒坚守，兵疲食尽，被汉军重重包围。入夜，韩信命汉军士卒唱起楚歌，歌云：“人心都向楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头！”致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，项羽只率800人突围至乌江 (今安徽省和县境)，这时项籍身边只剩下26骑了，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。项羽大战汉军，最后全军覆没，项羽不愿被俘受辱，自刭而死。