最后决战的时候到了，刘邦正在苦恼如何一举打败项羽。这时，他的谋士张良建议道：“如果大王能够把陈（今河南省淮阳县，因春秋之时此地为陈国，故名陈）以东一直到东海的广大土地都封给韩信，把睢阳（令河南省商丘市睢阳区）以北一直到谷城（今山东省平阴县西南）的领土都封给彭越，让他们为了自己的土地和项羽作战。那么，我们打败项羽就会容易多了。”
刘邦想了一下，便对张良说：“好。”说完，刘邦立刻派使者去见韩信和彭越。使者把刘邦要封地的事情告诉了他们，韩信和彭越听到后大喜，立刻告诉使者说：“你回去吧，告诉汉王，我们一定会带兵出战，为了自己的领土和项羽大战。”
使者回到军营，把韩信和彭越答应出兵的消息告诉了刘邦。刘邦大喜。不过，刘邦还是担心韩信、彭越再加上自己的军队也不是项羽的对手。他立刻派使者去见大司马周殷。此时，周殷也已经背叛了项羽，领兵驻守在舒（今安徽省庐江县西）。周殷接到刘邦的命令，立刻带着军队从舒出发，攻打六县去了。用殷攻下六县后，立刻合并了九江王的军队，往彭城南边的垓下进发了。
韩信很有头脑，他没有领兵直接西进，与项羽交锋，而是首先从齐地南下，与先期纵横于淮北的灌婴骑兵会合，以绝对优势兵力，压向守御力量不足的彭城。楚军集中主力精骑在南平阳县（今山东省邹县北）布阵迎战，灌婴的骑兵不费吹灰之力就一战而胜，楚军溃败。韩信顺利地攻占了楚都彭城，俘虏了替项羽留守根据地的项佗。项羽的根基已经遭受了严重的打击，现在的战局对项羽来说，已经是无法挽回了。
此后，汉军又乘胜进兵，招降了留（今江苏沛县东南）、薛（今山东膝县南）、沛（今江苏沛县东）、酆（今河南永城西）、萧（今安徽萧县）、相（今安徽濉溪市西）等县城，攻占了苦县（今河南鹿邑县）、谯（今安徽亳州市）等地，占领了项羽的大后方。
韩信认为自己不能低估楚军的力量，他认为楚军虽数量远逊汉军，却是百战之余的劲旅，在项羽率领下，又都抱有必死的决心，不可轻视。如果指挥不善，汉军的优势将会转化为劣势，胜负之数是不可知的，还须先计而后战，出奇制胜。经过反复思考，韩信的作战方略已定。
这天夜里，微风轻拂，星光灿烂，汉王帐内，各大将领都意气风发，准备商量作战计划。刘邦南面席地而坐，大将韩信坐在一旁，诸将朝北环立。汉王就当前形势说了几句，便把目光转向韩信，请他提出作战方略。韩信微微点点头，开始说出自己的计策。首先说明的是他对楚、汉双方的估计，接着说道：“这次决战，如大王从前所说，只能斗智，不能斗力，应该出奇制胜，用计谋克敌。我愿率领齐军三十万，首先迎战。”
“这三十万之众将分为三军，我自居中军，请孔荣、陈贺两位将军分领左右二军，作为两翼。”刘邦点了点头，表示赞同。
韩信又接着说：“我率领中军首先出击，孔、贺两军埋伏在左右两侧。我军一交战，就佯败后退，诱敌追击。我败一阵，退一阵，使楚军误认为汉军不堪一击，更加紧追不舍。这样，项羽和楚军诸将必定骄傲轻敌，士卒则疲惫怠惰，乘他们将骄兵惰之际，孔、陈两将军伺机夹击。到那个时候，我们的各路大军只要一会合，项羽就插翅难飞了。”
说到这里，韩信露出笑容，高兴地对刘邦说道：“大王必定料想得到，这样一来，楚军措手不及，定被拦腰截为几段，前后不能相救。”刘邦思索了一下，点点头。诸将也都称是。
韩信最后说道：“攻其无备，出其不意。乘楚军混乱之际，我回师反击，三军合围，项羽的胜负，大王也是可以料想得到的。”
刘邦等人听了韩信所谋划的计策，都十分佩服，本身是军事良才的张良也对韩信的这一招佩服得五体投地。韩信又说：“大王处在我军的后面，周勃和柴武两位将军所率部队又在大王的后面。”周、柴两人的部队是在后，当项羽大举迎战之时，他们可以绕道进击楚军的后背，与汉军主力配合作战，这样布置使计策更加周密了。说完后，刘邦拍手称赞计策周密，下令立即实施。
而此时，项羽已经带着军队回到了彭城，驻军彭城南边的垓下。他见刘邦领着各路诸侯往垓下进军，也已经做好了战斗的准备。决战的时刻即将来临，项羽显得异常平静，他已经厌倦了这种生活，暗下决心：垓下大战之后，一定要尽诛诸侯，然后就遣散军队，和爱妻虞姬过逍遥自在的日子。自从虞姬在下邳跟随自己到现在，虽然随军左右，但是自己总是在战场上拼杀，一直冷落了她。想到这些，项羽更加内疚起来。所谓“自古英雄爱美人”，项羽这个大英雄自然也不能例外。直到厌倦了战争，他才发现自己有多爱虞姬，有多么想和虞姬一起享受幸福快乐的简单生活。
项羽知道刘邦、韩信、彭越和周殷等人带兵到达了垓下。刘邦任命韩信为诸侯联军的统帅，负责指挥军队和项羽作战。此时，诸侯联军的兵力有五六十万人。韩信把众位将领召集在一起，部署道：“我自己带三十万人作为先锋部队，与项羽正面作战。大将孔将军和费将军带兵分别在项羽的左右埋伏。请大王带兵在韩信之后列阵。绛侯、柴将军等带兵在大王的后面保卫大王。”部署已定，韩信隐隐感到项羽的末日到了，想到自己毕竟曾经跟随项羽南征北战，如今项羽就要兵败了。心里无比惆怅！
此时，正值公元前202年十二月，气候格外寒冷。楚军正被迫作困兽之斗，汉军将士虽然都已知道这将是灭楚的最后一战，但项羽的神威却是任何人都不敢忘记的，大战前夕的紧张气氛，弥漫在方圆百里的战场上空。
经过多年的战争，项羽的兵力仅剩下十万人了。项羽带着十万人和韩信的三十万大军对峙着。项羽骑着马站在阵前，大声问道：“刘邦、韩信等人率领五六十万大军来和我们作战，你们怕不怕？”楚军阵中异口同声的声音回答道：“区区五六十万军队有什么可怕？彭城之战中，我们三万铁骑就可以摧毁刘邦五十六万大军，何况我们现在有十万人！”楚军的喊声直冲云霄，在垓下的上空回荡着。
韩信听到楚军的呼喊声，一阵胆寒。他暗想：“这到底是一只什么样的军队啊！十万人对阵我们五六十万大军，还能发出如此的豪言壮语！”
项羽把楚军分作三个大营，分别由他本人及大将季布、钟离昧统领，排列成“品”字形，严阵以待。
日上三竿，韩信擂鼓进军，他亲率三万人马上前挑战。士兵按韩信命令，冲着楚营高喊：“人心皆背楚，天下已归刘。韩信屯垓下，要斩霸王头！”项羽一听，气得七窍生烟，率众冲杀出去。垓下之战就此开始了！
遥想当年，一个是将军，一个是将军身边的侍卫，这次在战场上相逢，却是敌我两方，你死我活了。韩信成竹在胸，按预定的计策行事，项羽仍旧猛打猛冲，奉行他的一贯战法。项羽手持长戟，催动胯下乌骓马，迎头向汉军杀来。楚军将士尽管已是连年征战，现在又处于粮尽援绝的困境之中，但他们仍然奋勇力战，无不以一当十，紧紧跟随着他们心中仰慕的英雄，在汉军的四面包围之中，左冲右突，有进无退。
两军相接，刚刚交战一次，韩信就佯装失利，挥军后退，项羽不知是计，命令楚军急追。楚军人人奋勇，在汉军后面紧紧追赶。两军相接，交战几个回合，韩信且战且走，把项羽引进了包周圈。项羽还不知道是计，非常高兴，认为韩信斩陈余，杀龙且，从来没有遇到过对手，这次可遇到劲敌了。他准备大破汉军，活捉韩信。
楚将虞子期怕中埋伏，打马追上项羽，劝道：“韩信多谋，汉军势众，主公不必急于追杀，待我江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再杀他也不迟。”此时的项羽早已经怒不可遏，如何能听进这些话，他狠狠瞪了虞子期一眼，全不把汉军放在眼里，一直杀奔过去。
楚军认为胜利即将到手，从项羽到诸将，都越来越骄傲，同样也越来越疲惫。突然，杀声四起，汉军伏兵两路杀出。汉军漫山遍野而来，原来楚军是遭到了孔荣率领的左翼军的袭击。楚军措手不及，即被拦腰截为两段。正当两军混战之际，陈贺率领的右翼军也乘机杀出，这一来，楚军更被截作数段，彼此失去照应，乱成一团。
项羽气得血往上涌，一心想要抓住韩信，径直追去。接连汉军伏兵四起，十面埋伏，一起杀出，将楚军团团围住。项羽方知中计。余气未消，身心疲惫，只得奋力杀开一条血路，带领残部退回垓下大营。
项羽退回军营以后，闷闷不乐。他想：“难道上天要亡我大楚吗？”
十万楚军经过几番厮杀，最后剩下的已不足两三万人，垓下被围，岂能动弹？一晃几日过去，粮草断绝，外无援兵，楚军不禁陷入一筹莫展的苦境。
