漢四年軍糧盡；而劉邦也沒能調來韓信、彭越等人的軍隊，無法對楚軍進行最後的合圍。於是，雙方進行了歷史上著名的“鴻溝和議”，以戰國時魏國所修建的運河：鴻溝為界，劃分天下。
隨後，九月，西楚霸王項羽率十萬楚軍繞南路、向固陵方向的迂迴線路向楚地撤軍。劉邦也欲西返。
但是，正當劉邦打算率軍西返之時，張良、陳平卻建議撕毀鴻溝和議，趁楚軍疲師東返之機自其背後發動偷襲。張、陳二人認為：“漢有天下太半，而諸侯皆附之。楚兵罷食盡，此天亡楚之時也”，建議“不如因其機而遂取之”(《史記·項羽本紀》)。
劉邦於是採納二人建議，遂背約，向楚軍突然發起戰略追擊作戰。大軍追至夏南時，劉邦約集韓信、彭越南下，共同合圍楚軍。
五年十月，劉邦親率二十多萬大軍追擊十萬楚軍至固陵(今河南太康)。但此時，韓、彭二人沒有一個出兵配合劉邦。項羽知道後大怒，於清晨在此地發動突然反擊，斬殺漢軍近兩萬餘人，再次將漢軍擊敗。劉邦慌忙率軍退入陳下，並築起堡壘堅守不出，而楚軍又一次合圍了劉邦。
堅守壁壘的劉邦向張良詢問：“諸侯不從約，為之奈何？”張良回答：“楚兵且破，信、越未有分地，其不至固宜。君王能與共天下，今可立致也。即不能，事未可知也。君王能自陳以東傅海，盡與韓信；睢陽以北至谷城，以與彭越：使各自為戰，則楚易敗也。”
於是，劉邦採納張良的意見，將陳以東直到大海的大片領土封給齊王韓信；睢陽以北至谷城封給彭越。就這樣，劉邦以加封土地為報酬，終於搬動了韓、彭二人，使他們盡數揮軍南下，同時命令劉賈率軍聯合營布自淮地北上，五路大軍共同發動對項羽的最後合圍。垓下之戰隨之開始。
齊王韓信親率三十萬大軍從齊地南下，佔領楚都彭城和今天蘇北、皖北、豫東等廣大地區，兵鋒直指楚軍側背，自東向西夾擊項羽；
梁王彭越率軍數萬從梁地出發，先南下後西進，於劉邦本部軍共同逼楚軍後退；
漢將劉賈率軍數萬會同九江王英布、合兵十萬，自淮北出發，從西南方發動對楚地的進攻，先克壽春，再攻下城父並將此城軍民全部屠盡；
而鎮守南線的楚將大司馬周殷卻在此時判楚，先屠滅六縣，再與英布、劉賈會師，隨後北上合擊項羽；
同時，得到關中兵丁補充的劉邦則率本部軍二十多萬出固陵東進；
漢軍五路大軍、合計近七十萬之眾，形成從西、北、西南、東北四面合圍楚軍之勢，項羽被迫率十萬楚軍向垓下後撤。
漢五年十二月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等五路大軍於垓下（今安徽靈璧南，一說今河南淮陽、鹿邑間)基本完成了對10萬楚軍的合圍。劉邦立刻任命韓信為聯軍統帥，指揮大軍作戰。韓信命劉賈、英布軍自南將楚軍外圍出路全部封閉，命彭越軍自北封閉通路，韓信軍三十萬於劉邦本部軍主力則合成一股，向困守垓下的十萬楚軍發起進攻，展開決戰！
當時的情況，楚軍處於絕對劣勢：
一、西楚國位於長江以北的全部土地均已失陷，十萬楚軍成為絕對的孤軍；
二、楚軍缺糧已經幾個月，士兵飢餓，軍隊根本沒有半點補給；
三、漢軍聯兵約七十萬，且精力飽滿、糧食充足、士氣旺盛，而項羽孤軍十萬，連續久戰疲憊，決戰之時已是十二月的大冬天，而楚軍剛從廣武前線上撤下來，未經補給，多為穿著夏秋季的裝備，寒冷飢餓，士氣潰散；
四、漢軍分五路有秩序推進，先佔楚土，再行合圍，步步為營，包圍圈完善，楚軍難以發動突然性的反攻；
五，楚軍離江東五郡距離遙遠，即使衝破包圍圈，也很難在漢軍的追擊下及時回到己方領土，可以說是“突圍無效”。
就是在這樣一種情況之下，韓信三十萬主力於劉邦本部軍二十多萬合兵一股，排出五座連陣，向盤距於垓下困守的十萬楚軍發起了最後的進攻！
韓信率主力大軍五、六十萬，排出了這樣一個陣形：韓信親率三十萬大軍居中，為前鋒主力；將軍孔熙率軍數萬為左翼；陳賀率軍數萬為右翼；劉邦率本部主力尾隨韓信軍跟進，將軍周勃率軍斷後。
而項羽方面，對於楚軍而言，現在的情況即不能守、也不能退。
後勤斷絕、無糧而守，無異於坐以待斃，等死！
就這樣，戰鬥打響了：
首先，韓信率五陣大軍先行向楚軍發動挑腥性進攻。項羽立刻率十萬楚軍發動中央突破作戰，矛頭直制韓信本部。項羽親自率軍出擊，衝鋒在前，楚軍以騎兵在前、步兵在後隨其衝鋒。漢軍接戰，前陣立刻被擊潰。韓信立刻命令大軍後撤，以三十萬大軍為屏障掩護指揮部和劉邦的十萬人馬向後退去。漢軍且戰且退，楚軍則是繼續孤注一擲的瘋狂突擊，項羽本人更加是一馬當先，衝鋒速度之快甚至將十萬楚軍將士統統甩在了後面，連楚軍騎兵都沒有一人能趕上。一路上，漢軍如烏雲一般層層疊疊，一眼望去，滿上遍野。項羽率十萬將士猛打猛攻，連破漢軍數道防線，三十萬大軍潰散一半多，一路之上無人可擋，直殺向韓信本人。
而另一方面，當韓信以前陣為屏障掩護劉邦軍回撤退避的同時，孔熙、陳賀所率的左右兩軍也自楚軍左右兩側進行著迂迴機動，其意思便是為了節制楚軍進攻側翼、分離楚軍騎兵步兵之間的配合、遷制楚軍進攻。
經過半日撕殺，楚軍破軍無數，韓信的前軍幾乎被打成了廢渣，但項羽依然沒能突入漢軍指揮部，韓信始終不斷的向後退卻，始終沒有出現在項羽面前。而項羽過於猛烈的衝鋒，卻明顯拉開了軍隊前後的距離。當時的楚軍，項羽本人脫離全軍衝風在前、衝開敵軍一道道兵列線；後面是速度較快的主力騎兵急趕項羽、並將被項羽本人開啟缺口的漢軍散兵一一衝散踏過；而最後面的是速度最慢的步兵部隊，他們與未被騎兵踩死的漢兵一邊撕殺一邊繼續追趕騎兵。楚軍隊形越來越散、越拉越長，已經漸漸失去了緊密的隊形和互相之間的配合。
戰至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂迴急進，終於完成了前後夾擊之勢。漢軍左右軍隨之投入了對楚軍後方則翼的進攻，以緊密的陣形兩面壓來，迅速合圍.韓信率領全軍收攏此前被楚軍衝散的部隊全數壓上，徹底包圍了楚軍大營。此間還殲滅了被打散的兩萬餘楚軍，沒有給項王收攏散兵的機會。 至此垓下決戰到此結束。
漢四年軍糧盡；而劉邦也沒能調來韓信、彭越等人的軍隊，無法對楚軍進行最後的合圍。於是，雙方進行了歷史上著名的“鴻溝和議”，以戰國時魏國所修建的運河：鴻溝為界，劃分天下。
隨後，九月，西楚霸王項羽率十萬楚軍繞南路、向固陵方向的迂迴線路向楚地撤軍。劉邦也欲西返。
但是，正當劉邦打算率軍西返之時，張良、陳平卻建議撕毀鴻溝和議，趁楚軍疲師東返之機自其背後發動偷襲。張、陳二人認為：“漢有天下太半，而諸侯皆附之。楚兵罷食盡，此天亡楚之時也”，建議“不如因其機而遂取之”(《史記·項羽本紀》)。
劉邦於是採納二人建議，遂背約，向楚軍突然發起戰略追擊作戰。大軍追至夏南時，劉邦約集韓信、彭越南下，共同合圍楚軍。
五年十月，劉邦親率二十多萬大軍追擊十萬楚軍至固陵(今河南太康)。但此時，韓、彭二人沒有一個出兵配合劉邦。項羽知道後大怒，於清晨在此地發動突然反擊，斬殺漢軍近兩萬餘人，再次將漢軍擊敗。劉邦慌忙率軍退入陳下，並築起堡壘堅守不出，而楚軍又一次合圍了劉邦。
堅守壁壘的劉邦向張良詢問：“諸侯不從約，為之奈何？”張良回答：“楚兵且破，信、越未有分地，其不至固宜。君王能與共天下，今可立致也。即不能，事未可知也。君王能自陳以東傅海，盡與韓信；睢陽以北至谷城，以與彭越：使各自為戰，則楚易敗也。”
於是，劉邦採納張良的意見，將陳以東直到大海的大片領土封給齊王韓信；睢陽以北至谷城封給彭越。就這樣，劉邦以加封土地為報酬，終於搬動了韓、彭二人，使他們盡數揮軍南下，同時命令劉賈率軍聯合營布自淮地北上，五路大軍共同發動對項羽的最後合圍。垓下之戰隨之開始。
齊王韓信親率三十萬大軍從齊地南下，佔領楚都彭城和今天蘇北、皖北、豫東等廣大地區，兵鋒直指楚軍側背，自東向西夾擊項羽；
梁王彭越率軍數萬從梁地出發，先南下後西進，於劉邦本部軍共同逼楚軍後退；
漢將劉賈率軍數萬會同九江王英布、合兵十萬，自淮北出發，從西南方發動對楚地的進攻，先克壽春，再攻下城父並將此城軍民全部屠盡；
而鎮守南線的楚將大司馬周殷卻在此時判楚，先屠滅六縣，再與英布、劉賈會師，隨後北上合擊項羽；
同時，得到關中兵丁補充的劉邦則率本部軍二十多萬出固陵東進；
漢軍五路大軍、合計近七十萬之眾，形成從西、北、西南、東北四面合圍楚軍之勢，項羽被迫率十萬楚軍向垓下後撤。
漢五年十二月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等五路大軍於垓下（今安徽靈璧南，一說今河南淮陽、鹿邑間)基本完成了對10萬楚軍的合圍。劉邦立刻任命韓信為聯軍統帥，指揮大軍作戰。韓信命劉賈、英布軍自南將楚軍外圍出路全部封閉，命彭越軍自北封閉通路，韓信軍三十萬於劉邦本部軍主力則合成一股，向困守垓下的十萬楚軍發起進攻，展開決戰！
當時的情況，楚軍處於絕對劣勢：
一、西楚國位於長江以北的全部土地均已失陷，十萬楚軍成為絕對的孤軍；
二、楚軍缺糧已經幾個月，士兵飢餓，軍隊根本沒有半點補給；
三、漢軍聯兵約七十萬，且精力飽滿、糧食充足、士氣旺盛，而項羽孤軍十萬，連續久戰疲憊，決戰之時已是十二月的大冬天，而楚軍剛從廣武前線上撤下來，未經補給，多為穿著夏秋季的裝備，寒冷飢餓，士氣潰散；
四、漢軍分五路有秩序推進，先佔楚土，再行合圍，步步為營，包圍圈完善，楚軍難以發動突然性的反攻；
五，楚軍離江東五郡距離遙遠，即使衝破包圍圈，也很難在漢軍的追擊下及時回到己方領土，可以說是“突圍無效”。
就是在這樣一種情況之下，韓信三十萬主力於劉邦本部軍二十多萬合兵一股，排出五座連陣，向盤距於垓下困守的十萬楚軍發起了最後的進攻！
韓信率主力大軍五、六十萬，排出了這樣一個陣形：韓信親率三十萬大軍居中，為前鋒主力；將軍孔熙率軍數萬為左翼；陳賀率軍數萬為右翼；劉邦率本部主力尾隨韓信軍跟進，將軍周勃率軍斷後。
而項羽方面，對於楚軍而言，現在的情況即不能守、也不能退。
後勤斷絕、無糧而守，無異於坐以待斃，等死！
就這樣，戰鬥打響了：
首先，韓信率五陣大軍先行向楚軍發動挑腥性進攻。項羽立刻率十萬楚軍發動中央突破作戰，矛頭直制韓信本部。項羽親自率軍出擊，衝鋒在前，楚軍以騎兵在前、步兵在後隨其衝鋒。漢軍接戰，前陣立刻被擊潰。韓信立刻命令大軍後撤，以三十萬大軍為屏障掩護指揮部和劉邦的十萬人馬向後退去。漢軍且戰且退，楚軍則是繼續孤注一擲的瘋狂突擊，項羽本人更加是一馬當先，衝鋒速度之快甚至將十萬楚軍將士統統甩在了後面，連楚軍騎兵都沒有一人能趕上。一路上，漢軍如烏雲一般層層疊疊，一眼望去，滿上遍野。項羽率十萬將士猛打猛攻，連破漢軍數道防線，三十萬大軍潰散一半多，一路之上無人可擋，直殺向韓信本人。
而另一方面，當韓信以前陣為屏障掩護劉邦軍回撤退避的同時，孔熙、陳賀所率的左右兩軍也自楚軍左右兩側進行著迂迴機動，其意思便是為了節制楚軍進攻側翼、分離楚軍騎兵步兵之間的配合、遷制楚軍進攻。
經過半日撕殺，楚軍破軍無數，韓信的前軍幾乎被打成了廢渣，但項羽依然沒能突入漢軍指揮部，韓信始終不斷的向後退卻，始終沒有出現在項羽面前。而項羽過於猛烈的衝鋒，卻明顯拉開了軍隊前後的距離。當時的楚軍，項羽本人脫離全軍衝風在前、衝開敵軍一道道兵列線；後面是速度較快的主力騎兵急趕項羽、並將被項羽本人開啟缺口的漢軍散兵一一衝散踏過；而最後面的是速度最慢的步兵部隊，他們與未被騎兵踩死的漢兵一邊撕殺一邊繼續追趕騎兵。楚軍隊形越來越散、越拉越長，已經漸漸失去了緊密的隊形和互相之間的配合。
戰至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂迴急進，終於完成了前後夾擊之勢。漢軍左右軍隨之投入了對楚軍後方則翼的進攻，以緊密的陣形兩面壓來，迅速合圍.韓信率領全軍收攏此前被楚軍衝散的部隊全數壓上，徹底包圍了楚軍大營。此間還殲滅了被打散的兩萬餘楚軍，沒有給項王收攏散兵的機會。 至此垓下決戰到此結束。