刘邦率兵追击项羽的同时，一连发出四道命令。第一道命令下达给彭越，令他向南截击楚军；第二道命令下达给韩信，令他从齐国出发，从东面进入楚国腹地，抄项羽的后路。第三道命令下达给刘贾，令他从梁地出发，急行军穿过楚国，向南抢渡淮河，进入原九江国地盘；第四道命令下达给英布，令他火速赶到淮南，与刘贾会合，收集旧部，开辟对楚作战的南线战场。
其中，下达给北路军彭越与东路军韩信的命令中有明确约定：北、东两路兵马，必须在10月份某日赶到固陵地区，与主力兵团合击楚军。
10月，刘邦追击项羽到达了固陵地区。固陵即今天的河南太康，这里属于豫东平原，非常适合大兵团作战。刘邦已经追上了楚军，盼着彭越与韩信前来，可是盼得花儿都谢了，也没见到他们两路军的影子。正在刘邦焦急的时候，项羽突然领兵回击，刘邦抵挡不住，大败而逃，躲进营垒中，坚守不出。此战汉军损失了两万余人。
这是楚汉战争中刘邦第四次逃跑。第一次在彭城，第二次在荥阳，第三次在成皋，前三次他比较狼狈，而这一次相对从容些，项羽没有继续发动攻击，只是把他包围起来。刘邦这人的过人之处在于，虽然屡战屡败，可是他越败越强大。
刘邦恼火而沮丧，对张良说：“诸侯不遵守信约，怎么办啊？”
张良也在思考这个问题，而且找到了答案，他回答说：“楚军即将被打败，而韩信、彭越没有分到确定的领地，因此他们不应约前来。您如果能与他们分疆裂土，就可以立即把他们召来。”
他接着说：“齐王韩信的封立，并不是您的本意，韩信很不放心。
彭越本来平定了梁地，当初您为了魏豹，封彭越为魏国相国。而今魏豹已死，彭越也想自己称王，但您却不早做决定。现在，您可以把从睢阳以北到谷城的地区都封给彭越，把陈县以东到沿海的区域都划给韩信。
韩信的家乡在楚地，他的意思也是想要重新得到自己故乡的土地。您如果能拿出以上地区许给他们两人，让他们各自为自己的利益而战，那么楚国就很容易攻破了。”
张良分析的对吗？非常对！张良去齐国给韩信封王时，与韩信深入交谈过，他对韩信的意图摸得非常清楚。他知道韩信虽然不至于造反，但却会利用自己的优势地位，为自己谋取最大利益。至于彭越，虽然与刘邦私交不错，但随着军队实力的增大与地盘的增多，也渐渐有了一些想法。他公开收留齐王田横，就说明他已经把自己看成了一支半独立的力量，所以他趁着项羽尚在，谋取自己的利益，也在意料之中。
听张良说破了韩信与彭越的真实意图，刘邦心里生出了丝丝恨意，这简直等于要挟，等于敲诈！刘邦不是个商人，对利益平等交换没有概念。韩信、彭越与他做生意，实在看错了对象。可是刘邦是个实用主义者，他知道自己当前面临的主要问题是什么，知道自己主要的敌人是谁，他必须全神贯注，排除任何干扰，不惜一切手段战胜项羽，否则就会如张良所说，“后果很难预料”。
刘邦采纳了张良的建议，派出使者，慷慨地分封韩信与彭越，同时督促他们尽快出兵。这一招果然灵验，韩信、彭越答应立即率军前来。
这时，南线的刘贾已顺利渡过淮河，包围了寿春（今安徽寿县）。
寿春为楚国故都，位于八公山下，城大池深，为项氏楚国的南部军政中心，守将是大司马周殷。刘贾没有强攻，而是派人劝降。周殷眼见项氏楚国已经穷途末路，答应与刘贾和平谈判，交出寿春城。得到周殷的帮助后，刘贾继续向原九江国进军，一路收编兵马，屠灭了不肯投降的六地与城父（今安徽亳县城父集）二城，与英布胜利会师。
不久，刘邦的新命令到达，命他们两人从城父挥师北上，与各路友军会歼项羽。
项羽听说韩信与彭越已经出兵的消息，后悔起来，他知道自己犯了个低级的错误。本来，项羽回师彭城的时间很充裕，固陵与彭城相距不过五六百里地，急行军三五天就能赶回；但是他太大意、太迟钝了，居然在固陵一带徒然地耗费了近一个月的时间，这可是要命的时间。他现在必须与时间赛跑，赶在韩信之前抢先到达彭城。
可是已经晚了。韩信早于他展开行动，于齐地南下，攻占了楚都彭城，随即领兵横扫而西，正面迎击楚军。而彭越也迅速展开行动，领兵南下，袭击楚军侧背。项羽走到半道时，听到了彭城失守的消息，他肝胆欲裂，明白后路已经被堵死，坏到了无以复加的局面。
怎么办？领兵夺回彭城吗？项羽不停地问自己。他现在还有十万兵马，这对他是个不小的数量。他曾用五六万人战胜章邯的四十万虎狼之师；他曾用不足十万人战胜刘邦的五十六万诸侯联军。现在韩信的兵力不过二三十万人，自己这十万人足够对付他。但是他有两个因素需要认真考量。
第一，韩信好对付吗？他本可以看不起韩信，但自己手下的猛将龙且死在此人之手，这不能不使他对韩信刮目相看。能轻易杀死龙且之人，一定是自己强有力的对手。
第二，自己的这十万大军士气还能与往昔相比吗？他看到的景象是士气低落，而原因无外乎三条：一则西楚国位于长江以北的大部土地已经失陷，楚军基本成了孤军；二则楚军缺粮已经几个月，士兵们普遍吃不饱；三则现今已是11月份，天寒地冻，而楚军刚从前线撤下来，未经补给，多为夏秋季的装备，寒冷难耐。
事实上，楚军撤军的速度缓慢，多半原因也是因为后勤供给不足，不得不边行军边解决军需问题。
项羽分析的结论是：彭城不能再要了。假如去争夺彭城，一旦被韩信黏住，汉军的其他三路大军合围上来，自己就没办法再脱身。他打算向东南方向撤退，经淮阴、广陵，渡江撤回江东地区。江东虽然不是自己的家乡，但胜似自己的家乡，是自己的发祥地，只要能回到那里，凭借长江天险，与土地的富饶，休养元气，总有一天还能卷土重来。
可是，他能想到的事情，刘邦也想到了。刘贾与英布的南线部队，已经得到了阻止项羽南逃江东的指令。而且汉军没有他那么犹豫，行动速度极快。
楚军撤退到垓下附近的一条小河时，被南线汉军堵住了南逃之路。
几乎同时，从彭城南下的韩信部汉军，也堵住了他的东去之路。随即，汉军的其他几路大军跟踪围拢上来，把楚军彻底包围。
垓下位于今安徽省灵璧县东南的韦集镇一带。项羽见一时难以脱身，就在小河的北岸迅速用泥土修筑起一座营垒。据现在的考古学家推测，该营垒建在一片高地上，呈不规则四方形，占地面积约四百五十亩，南临沱河，东西北三面有护城沟，易守难攻。
聚集在垓下的汉军部队约有五十万到六十万人，为了统一协调各部行动，刘邦任命韩信担任前线总指挥，除去南线堵截楚军的部队外，把能够机动的约四十万人交给韩信做进攻主力，而自己带领本部的约十万人作为战役的总预备队。
韩信对项羽非常了解，知道他的勇猛盖世无双，自己的这四十万人如果与项羽的十万困兽硬拼，未必有绝对胜算。但楚军的弱点也很明显，项羽带领的是支孤军，人数处于劣势，他们虽然能够发动凶猛的攻击，可是不能持续长久。为此，韩信设计了一套独特的战术，这套战术如果用现在的语言描述，可称之为：弹簧战术。
为此，韩信排出了一个燕型阵：自己亲率三十万大军居中，为前锋主力；将军孔熙率军数万为左翼；另一个将军陈贺率军数万为右翼；刘邦率领的战役总预备队尾随在阵后，周勃负责全军的总后卫。
项羽面临的情况非常严峻，按道理说他最好的选择是固守营垒，等待战机，可是他现今已经没法采取守势，这不是因为他建的营垒不够坚固，而是因为他的粮草已经完全耗尽。而撤退，也不可能，汉军已经封堵了所有路口，撤退就意味着溃散，被汉军当成一群鸭子追赶歼灭。他现在只有一种选择：进攻！在进攻中求生存。
项羽认为，自己这十万人只要做困兽之斗，未必不能创造战争奇迹，再次击败汉军。项羽还是有足够自信的，他是战争之神，只要是他亲自参与的战争，不管对方看起来多么强大，他也不会失败。他的士兵也都相信他是战神，相信只要跟着他进攻，就没有打不败的敌人。
项羽不打算主动进攻汉军，他希望打反击战，因为只有这样才能最大限度地杀伤敌人的有生力量，给他们制造恐慌。
项羽等待的时刻很快到来，韩信率领的汉军主力开始向楚军发动挑衅性攻击。项羽大喜，立刻率十万楚军发动中央突破式反击，矛头直指韩信的本部。楚军的冲锋阵势是，骑兵在前，步兵随后。项羽一马当先，率领骑兵首先攻入汉军的军阵中，汉军接战，落于下风。
韩信早料到会是这样，立刻命令大军有秩序次第后退。这样一来，楚军的重拳就像打在了弹簧上，力道一下被化解去许多。但项羽的进攻已没法停下来，因为这次进攻带有孤注一掷的性质，只能坚持到胜利，不胜就必败。
项羽带队继续疯狂突击，他本人的冲锋速度极快，将他的将士甩在了后面。这样一路猛攻猛打，楚军破了汉军一道又一道防线，队伍也越拉越长，队形渐渐开始散乱。项羽已经红了眼，一心想杀到中军大帐，擒杀刘邦或韩信。
经过半日厮杀，汉军依然不断退却，项羽依然没能突入汉军指挥部。战到下午，楚军已经疲惫，汉军的左翼孔熙部、右翼陈贺部开始发力，他们通过两边包抄战术，将楚军的骑兵部队与步兵部队分隔开来。
项羽这才紧张起来，慌忙率骑兵回师救援步兵。
韩信见此，指挥中军主力停止撤退，连预备队一起投入进去，发动全线反击。楚军没法抵挡潮水般的汉军，瞬间大败。项羽拼死突围，逃回营盘，清点兵马，损失了四万有余。汉军趁机彻底包围了楚军大营。
至此，楚军已无力发动反攻，败势成为定局。
