公元前202年十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等五路大军在垓下（今安徽灵璧南）基本完成了对10万楚军的合围。刘邦任命韩信为联军统帅，指挥大军作战。韩信命刘贾、英布军自南将楚军外围出路全部封闭，命彭越军自北封闭通路，韩信亲自率军30万与刘邦本部军主力合成一股，向困守垓下的楚军发起进攻，展开决战。
当时的情况，楚军处于绝对劣势：西楚国位于长江以北的全部土地均已失陷，10万楚军成为绝对的孤军；楚军缺粮已经几个月，士兵饥饿，军队根本没有半点补给；汉军联兵约40万以上，且精力饱满、粮食充足、士气旺盛，而项羽孤军10万，连续久战疲惫，决战之时已是十二月的寒冬，而楚军刚从广武前线上撤下来，未经补给，多为穿着夏秋季的装备，寒冷饥饿，士气溃散；汉军分五路有秩序推进，先占楚土，再行合围，步步为营，包围圈完善，楚军难以发动突然性的反攻；楚军离江东五郡距离遥远，即使冲破包围圈，也很难在汉军的追击下及时回到己方领土，可以说是“突围无效”。
在这样的情况下，韩信30万主力与刘邦本部军合兵一股，向盘踞在垓下困守的楚军发起了最后的进攻。韩信将主力大军排出了这样一个阵形：韩信亲率30万大军居中，为前锋主力；将军孔熙率军数万在韩信军左方；陈贺率军数万在韩信军右方；刘邦率本部主力尾随韩信军跟进，将军周勃率军断后。项羽方面，楚军既不能守也不能退，后勤断绝，无粮而守，无异于坐以待毙。
韩信率本部军先行向楚军发动挑衅性进攻，项羽立刻率楚军发动中央突破作战，直指韩信本部。项羽冲锋在前，楚军以骑兵在前、步兵在后随其冲锋。韩信立刻命令大军后撤，以30万大军为屏障掩护指挥部和刘邦的本部人马向后退去。汉军且战且退，楚军则是继续孤注一掷地疯狂突击，项羽本人更加是一马当先，直杀向韩信本人。当韩信以前阵为屏障掩护刘邦军回撤退避的同时，孔熙、陈贺所率的左右两军也自楚军左右两侧进行着迂回机动，威胁楚军侧翼。
经过半日厮杀，项羽没能突破汉军阵线，楚军队形越来越散、越拉越长，已经渐渐失去了紧密的队形和互相之间的配合。战至下午，汉军中军一退再退，左右两军迂回急进，终于完成了前后夹击之势。汉军左右军随之投入了对楚军后方侧翼的进攻，以紧密的阵形两面压来，迅速合围了落在后面的楚军步兵。楚军将士殊死抵抗，两军官兵绞斗在一起。楚军步兵、骑兵被一分两半，攻势随之被牵制。项羽不得已，只好率残存骑兵回师救援步兵。
这时韩信将刘邦主力以及所剩的全部中军投入反冲击，数十万汉军向楚军发起了前后夹击。项羽见势不妙，立刻率全军向反方向突围，冲开汉左右军的包围，退回营中。此战，楚军阵亡4万余，被俘2万，被打散2万，仅剩不到2万伤兵随项羽退回阵中。随后，韩信率领全军收拢此前被楚军冲散的部队全数压上，彻底包围了楚军大营。此间韩信率兵还歼灭了被打散的2万余楚军，没有给项王收拢散兵的机会。夜晚，韩信命手下士兵唱起楚地歌谣。项羽听见四面楚歌之声，以为楚地尽失，遂告别心爱的虞姬，率领800子弟兵突围南走，被汉军追至乌江（今安徽和县东北），自刎身亡。
垓下之战，汉军积极调集援兵，多路围攻，以绝对优势兵力全歼楚军，创造了中国古代大规模追击战的成功战例，结束了秦末混战的局面，统一了中国，奠定了汉王朝400年基业。