公元前203年(高祖四年)八月，与汉军对陟于广武的楚军粮尽;而刘邦也没能调来韩信，彭越等人的军队，无法对楚军进行最后的合围。于是，双方进行了历史上著名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。九月，西楚霸王项羽十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。刘邦也欲西返回都彭城。

　　但是，正当刘邦打算算率军西返之时，张良，陈平建议撕毁鸿沟和议。张、陈二人认为：“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之，刘邦于是采纳二人建议，遂背约，向楚军突然发起战略追击作战。在今安徽省灵璧县的垓下之地，趁半夜楚军东归心切兵无防备之机，20万汉军悄悄的对楚军实行重重包围发动突然袭击。

　　一时楚军被打蒙了，半天没回过神来，但刘邦太自信了他面对的这可不是一般的军队，这可是久经战阵一路追随项羽，从破釜沉舟到强攻函谷关大小硬仗七十余次几乎把秦朝的全部主力都消灭了，天下无敌的楚军精锐。当楚军明白汉军背信弃义偷袭我方时人人怀着愤怒士气高涨到极点，只等项王的号令此时项羽也很快作出战略决定。反击。这天夜里楚军顽强的反击让汉军死伤约三万人，但仍未能抓住时机突出包围圈。刘邦决定实行最后的围歼把全部的部队都投入到这次围歼楚军的作战中，项羽短暂休整占时放弃东归之念与刘邦十几万大军发动全线反击，楚军战力彪悍勇猛善战，汉军哪是对手。这天一战就死伤约四万多人。

　　刘邦慌了他怕了，十有九成的围歼战打成了依靠坚壁堡垒的防御战，战场形势主动权以完全掌握在项羽手里，但此时的项羽失算了，他没有放下刘邦带着几万楚军继续东归，而是决定就地彻底消灭刘邦。由于楚军此次而来战争准备不足，几个月以来久攻不克加之粮草无法得到供应，项羽孤军十万，连续久战疲惫，决战之时已是十二月的大冬天，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，士气溃散低落。

　　此时的楚地已被灌婴多出攻占，西楚国位于长江以北的全部土地均已失陷，十万楚军成为绝对的孤军。刘邦为牵制楚军，彻底消灭项羽，封韩信.彭越.司马欣.田荣.英布等爵位领地，转眼间调集五十六万大军以韩信为统帅且精力饱满、粮食充足、士气旺盛。对于楚军而言，现在的情况即不能守、也不能退。后勤断绝、无粮而守，无异于坐以待毙，后退则江北四郡皆已经被占，无路可退;退回江南则路途遥远，且道路被刘、英军所阻，必陷于汉军前后夹击之中。

　　正当此时心爱的虞姬为不拖累霸王拔剑自刎，悲痛至极的项羽作出了他的一个决定——破釜沉舟的气概。

　　他决定全军孤注一掷对汉军发动攻击，八万楚军和五十六万汉军在垓下展开了你死我活的决战，项羽以两万骑兵对着韩信大营率先杀来，六万步兵拼命追赶着骑兵的方向，汉军立即缩小包围圈三十万汉军开始夹击楚军，由于楚兵孤注一掷视死如归的冲杀对汉军形成压倒性形势汉军全线动摇，阵型出现混乱，士兵开始胆怯。他们见识到了当年破釜沉舟的勇猛。楚军越战越勇已杀红了眼，前后左右见人就杀，汉军死伤已达十万之多。

　　这时韩信作出部署调整，大营后撤引项羽的楚军继续深入，以数十倍的兵力对楚军进行消耗，楚军体力人数有些下降，韩信抓住机会突然命全军缩小包围圈，大片大片的汉军杀来，项羽发现楚军开始招架不住，随即率军突围，几万楚军又从包围圈中杀出退至垓下城。在场的所有汉军亲眼目睹了楚军的战力，项羽的这次进攻杀伤汉军十八万人，推至垓下的楚军只剩两万人，形势仍对楚军十分不利。

　　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，便乘夜率领八百精锐骑兵突围南逃。天明以后，汉军得知项羽突围，乃遣五千骑兵追击。(历学网wwW.uUqgs.com)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，因被田父欺骗，被汉军追及，项羽与汉军交战杀汉军两千余人突至东城(今安徽定远东南)，手下仅剩二十八骑。项羽指挥这二十八28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。