项羽自从彭城大败汉军以后，亲率大军长驱直入，向荥阳以南的京邑和索亭之间打来。汉王刘邦见楚军势大，先是坚守不出，后又派精兵突袭楚营，双方互有胜负。结果，两军在荥阳以东，形成对峙之势。汉王采取避实就虚的方略，由刘邦亲守荥阳，以少数兵力拖住项羽；一面采纳韩信的建议，派韩信率汉军主力北上，进攻赵、代，讨伐燕国，并向东平定齐地，向南切断楚军粮道，继而形成对楚军的合围。
这年闰九月，韩信大军首先在阏与（今山西和顺西北）大败代军，俘虏了相国夏说。赵歇和陈余得到消息以后，立即在井陉口（今河北井陉）屯集20万重兵，严阵以待。韩信破代以后，刘邦把他的精兵调回荥阳，抗拒项羽，这一来使得韩信兵员大减，只有数千之众。井陉口是太行山的险要关隘之一，既是兵家必争之地，又是东西交通的必由之路。当时形势不利于韩信。
赵国的谋臣、广武君李左车认为，韩信、张耳乘胜来攻，锐不可当，但是井陉口道路难走，车不能并行，骑不能成列。韩信要通过这数百里狭窄山路，辎重必然远远落在后面。于是，他向陈余建议：“如给我三万精兵，从小道截断汉军给养，你则深沟高垒，不与汉军交战。这样汉军欲战不能，欲退无路，不出十日，汉军必败无疑。斩韩信、张耳头颅就在今日，失此良机，我们反为其败。”
陈余原是个书呆子，本不懂用兵之道，他对李左车的建议很不以为然，说：“我本仁义之师，不尚诈谋。韩信所部，号称数万，实则几千，而且远道至此，定很疲敝。这区区敌众，若不敢抵，诸侯一定笑我怯懦，随时会来攻我。”
早有探子报知韩信，他心下暗喜，便大胆在井陉口30里处扎营。时至夜半，韩信开始点兵，先精选轻骑二千人，各带汉军旗帜，抄小路进发，隐蔽在赵军营旁山上。韩信吩咐这些士兵说：“如果赵军见我军退却，必会倾巢而出，追杀我军。这时，你们立即冲进赵军营寨，拔掉赵军的旗帜，换上汉军的旗号。”然后命令副将给大家分发干粮，让他们先垫垫肚子，并很自信地说：“大破赵军之后，再请大家饱餐一顿。”众将将信将疑。韩信再派精兵一队作为前锋，出井陉口，背临绵曼水，面向赵军阵地，摆开了阵势。
赵军抢占井陉口有利地形，想与汉军主力决战；今见汉军背水为阵，陈余不由得哈哈大笑：“背水为阵，只可进，不可退，此乃兵家大忌。破汉李，斩韩信，就在今日！”传令三军做好攻击准备。
天刚蒙蒙亮，韩信亲率人马，高举大旗，擂起战鼓，杀出井陉口。陈余大开营门，挥兵出战。两下交锋，赵军仗着人多势众，一拥上前，来围韩信。韩信急命抛弃帅旗，扔掉战鼓，往回便退。陈余挥兵拼力追杀，就连据守大营的赵兵也想乘势邀功，竟把赵王歇也拥了出来，掠取汉军旗鼓，洋洋得意，哗声如雷。
韩信退至绵曼水边，传下命令“决一死战，后退立斩！”汉军将士见前有河水，后有追兵，已无路可退，便拼死求生，回头奋力苦战。两军从早晨直杀到中午，仍不分胜负。陈余恐部众饥饿，不能再战，便传令回营。不料到了半途，望见营中全是汉军旗号，他惊叫一声：“怎么大营被汉军夺去了！”赵军顿时惊惶失措，一下乱了阵脚，争相逃命，陈余哪里喝止得住，虽然杀了一些逃跑的士兵，也无法挽回败局。汉军两面夹击，越战越勇，一战生俘赵王歇，陈余也被乱兵所杀。
井陉一战，汉军大获全胜，将领们纷纷向大将韩信祝贺。他们问韩信：“兵书上明明写着‘右倍（背）山陵，前左水泽’。行军列阵时，右后方应靠近山陵，前右方应临近水泽，按照‘背山临水’的原则部署兵力。但大将军不照兵法行事，却让我们背水为阵，并蛮有把握地说‘破赵会食’。结果真就获胜，道理何在？请将军明示。”
韩信笑着回答：“这何尝不是兵法？兵法中有这样的话：陷之死地而后生，置之亡地而后存。我们这支队伍并非训练有素，若放在方便之地，一遇挫折必定溃散，惟置诸死地，使他人自为战，方能勇气百倍，无人可当。”诸将听了，无不钦佩。一致称赞韩信善于出奇制胜，他采用的战术超出了一般人的意料。
公元前204年四月，汉王刘邦被项羽围困在荥阳。五月，刘邦率数十骑逃入关中。六月，又被围在成皋，形势十分危急。不得已，刘邦从成皋北门逃出，渡过黄河，来到韩信的驻地小修武（今河南获嘉县），悄悄住进了旅店。
第二天早晨，刘邦自称是汉使者，闯入韩信、张耳的军帐，夺去了他们的印信和兵符，并召集众将，命张耳留守赵地，起用韩信为赵国相国，只给他一小部分军队去攻打齐国。
汉王刘邦率领韩信的大部分兵马，声威大震，便分别在巩县和白马津等地与项羽对抗。九月，项羽亲率大军，东征彭越，刘邦趁机派郦食其前往齐国劝降。与此同时，韩信也按照刘邦之命率兵东进，准备攻打齐国。
当韩信到达平原（今山东平原南）时，齐王田广听从郦食其的劝说，背楚降汉，于是韩信就想停止前进。恰好齐国说客蒯通来投，对韩信说：“将军是奉汉王之命去攻齐，今汉王又暗中派人去劝降，既无汉王命令，将军怎能按兵不动呢？再说郦食其凭三寸不烂之舌，就说降了齐国七十多座城池，而将军数万人马，征战一年，才攻下赵国五十多座城池。你一堂堂大将军，尚不及一白面书生吗？”一席话说得韩信连连点头，便下令大军渡河，继续向齐地进发。
齐王田广听从郦食其的劝降之后，对韩信毫无防备，天天跟郦食其饮酒作乐。汉四年十月，韩信突袭齐国在历下（今山东济南西）的守军成功，直逼齐国国都临淄（今山东淄博）。齐王以为受了骗，将郦食其烹死在油锅里。之后，匆忙逃亡到高密（今山东高密西南），同时派人向项羽求救。项羽立即派大将龙且率军20万，与齐王会合，迎战韩信。
龙且手下谋士献计说：“汉兵长途奔袭，远斗穷战，锐不可当，齐军在本土作战，牵挂家室，容易溃散。所以，最好挖沟筑垒，让那些已丢失的城邑的人知齐王仍在，楚王发了救兵，这样他们就会纷纷起兵反攻韩信。汉军处处受敌，断绝给养，不战自退。”
龙且名为救齐，实则想趁机夺占齐地。他对其心腹说：“我军此来是为了救齐，如汉军不战而降，我还有什么功劳呢？现在我战而胜之，就可得到半个齐国。”
于是，两军在潍河两岸摆开阵势，龙且在河东，韩信在河西，准备交战。
这天夜里，韩信命令部下准备了一万多条口袋，装满沙子，投进潍河上游，这样下游河水变浅。汉军派半数人马涉水过河，去进攻楚军。龙且见状，毫不示弱，亲率大军迎敌。双方接战不久，韩信佯装战败，慌忙撤回河西。龙且以为汉军无能，心中大喜，传命全军渡河追赶，想一举打败韩信。楚军刚刚冲到河心，早已埋伏在上游的汉军突然决开沙袋，河水急流滚滚而下，卷走了大部楚军。韩信指挥汉军回头掩杀，龙且当场阵亡。留在东岸尚未渡河的楚军落荒而逃。齐王田广未及逃跑，便被汉军杀死。
韩信占领齐国以后，派使者上书刘邦，说齐国一向反复无常，难以镇抚，齐国南面又和楚国接壤，如不立一个齐王，恐怕很难巩固。因此，请求立自己为代理齐王。刘邦接书大怒，骂道：“我被围广武山，天天盼望他来助我，不但不来，还要自立为王！”谋臣张良、陈平赶忙踩踩汉王的脚，悄声对刘邦说：“现在形势于我主不利，不如先稳住他，让他守住齐国，免生变故。”刘邦立即明白过来，改口说：“大丈夫南征北战，平定诸侯，应该做个真王，何必代理呢！”这年二月，汉王派张良为使，带着印绶，去封韩信为齐王，同时把韩信的部队调走了很多。
韩信平定齐国，楚汉之间势均力敌，谁胜谁负，韩信起着举足轻重的作用。刘邦为争取韩信，封韩信为齐王。