鸿沟议和
汉四年的五六月间，项羽和刘邦也在广武山一带对峙了半年多，双方都打得精疲力尽，经济濒于崩溃，都渴望早日结束战争。而项羽的局面尤其糟糕，因为韩信通过半年时间已经基本平定了齐国，从后方包抄了过来，向项羽的后方发动了疯狂进攻。
韩信派遣灌婴率军去鲁北攻打楚将公杲的军队，获得全胜。灌婴挥师南下，打败了薛郡郡守所率领的军队，亲自俘虏骑将一人。接着又进攻傅阳(今山东枣庄市南)，进军到达下相东南的僮城(今江苏省睢宁县西南)、取虑(今江苏省睢宁县西南)和徐城(今江苏泗洪县)一带。渡过淮河，**了淮河以南的城邑，兵锋直到长江边的广陵。灌婴的部队像一把尖刀一样在西楚国的腹地开膛破肚。
项羽此时蹲在广武山和刘邦对峙，抽不开身的他派出项声、薛公和郯公去收复这些地区。由于灌婴是骚扰性质的进攻，并没有驻兵占领这些地区，因而项声等人又重新收复了淮北一带。但是，灌婴**了楚国淮南一带的领土后，很快又重新渡过淮河北上，在下邳击败了项声、郯公，斩杀了楚将薛公，并再次攻占了下邳。
项羽在长江以北的领土几乎被韩信翻了个底朝天，他唯一可以倚望的是他的侄儿(从兄子)项它。项它重兵屯驻彭城，依托彭城坚固的城防苦苦支撑着。由于彭城这个战略要地依然在西楚手上，韩信难以完全征服这一带领土，只要汉军前脚一走，楚军基本后脚还能收复。就这样楚汉双方又耗了两个多月，到了汉四年八月，双方都接近极限了。史书上记载：“楚汉久相持未决，丁壮苦军旅，老弱罢转饟。”刘邦派出陆贾向项羽传递求和的要求，要求归还他的家人，遭到项羽的拒绝。
刘邦在辖区内初次加征“算赋”，这是一种人头税，显出汉方经济上的窘迫。为了挽救日益衰落的士气，刘邦还下令为阵亡将士制作衣衾棺木，将尸体运回家乡安葬。项羽方面的情况缺失记载，但料想情况只会更加糟糕。
对刘邦而言有个小小的好消息，那就是燕王臧荼雪中送炭，增派了骑兵来支援他。燕王臧荼是颇有眼光的国王，楚汉争霸期间他没有消极等待，更没有首鼠两端。在韩信打败陈馀，汉国形势大为好转时，他果断出手，坚决倒向刘邦。早在十个月前，刘邦进攻曹咎的成皋争夺战中，燕军也积极参与了。
也是在这段时间，韩信包围了彭城。为了尽快解决战争，汉国方面以封侯作为条件要求楚军守将项它向汉军投诚，自知无法坚守的项它正式向汉军投诚。汉帝国建国后项它被刘邦封为平皋侯，五百八十户。彭城的失陷意味着楚国江北的门户大开，只要韩信大军南下，项羽江北的所有城池都保不住了。项羽依托西楚国本土负隅顽抗的可能性已经彻底破灭了。
前次陆贾求和无果，刘邦又派侯公去劝说项羽。侯公大概比较圆滑，说了不少好听话，给了项羽台阶下，项羽终于决心跟刘邦定约。汉四年九月，刘邦和项羽正式签订合约，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。刘邦派好朋友周緤作为人质，代替刘邦的家属，项羽立即释放了刘邦的家属。签订条约后，项羽再释放周緤。
楚、汉双方的官兵都呼喊万岁，大概双方官兵们都认为，和平就要到来，他们很快就可以回家同家人团聚，恢复和平的田园生活了，他们对新生活充满了期待。刘邦封侯公为平国君，却不肯再跟他见面，说：“这个人是天下的善辩之士，他待在哪国，就会使哪国倾覆，所以给他个称号叫平国君。”
毁约
史书上说，条约签订后项羽就带兵“东归”，但从地图上看，这个说法是不正确的，准确的说法应该是项羽南下。鸿沟议和约定的“鸿沟中分”的客观条件其实是不存在的，因为彭城已经失陷，项羽在长江以北的领土实际上已经落入汉国手里，汉国不可能再吐出来。鸿沟只是一种形式大于实质上的分界，双方应该是以实际控制区为边界。项羽南下也说明他也默认了这个既成事实，否则他应该东归重夺彭城(彭城在鸿沟以东，法理上项羽完全可以向汉国索要)。此时的项羽应该已经心灰意冷了，条约签订后的他能做的只能是南下，依托目前实际控制的江淮一带，在淮河以南建立一个新的楚国。他将不再是号令天下的西楚霸王，只能是众多诸侯王中的一个。
刘邦大概认为项羽认栽服软，战争胜负已分，也打算撤兵西归。这时候张良、陈平却拉着刘邦，劝他说：“汉已占有天下大半的土地，诸侯们又都归附于汉。而楚军已兵疲粮尽，这正是上天亡楚之时，不如索性趁此机会把它消灭。如果现在放走项羽而不打他，这就是所谓的‘养虎自遗患’。”
刘邦听从了他们的建议，不顾条约墨迹未干，悍然撕毁条约。刘邦以樊哙为先锋，亲率主力追击项羽。到阳夏南，先锋樊哙追上了楚军的后防部队并打垮了这支部队，俘虏了楚将周将军和四千名士兵。
项羽苦不堪言，但限于实力，他只能忍气吞声，继续南逃。刘邦定好会合日期，指示韩信、彭越派兵共同攻打楚军。彭越在这个空当，攻克昌邑周边二十余城，他给刘邦捎句话：“魏地刚刚占领，人心还不稳定，依然害怕楚军，你那我就去不了了。”韩信占领彭城以后继续向周边扩大占领范围，但也在观望，拒绝前往会合。
汉五年冬十月，汉军追击楚军到陈县以东，这里有很多垓(小山岗)，它的另一个名字就叫垓下。韩信、彭越的部队没有按期赶来会合。已经退无可退的项羽回头反击汉军，再次把汉军打得大败。刘邦被迫后撤，在垓下以北约20公里的固陵(今河南太康南)建立营垒，掘深壕沟坚守。
刘邦和项羽就这样对峙着。项羽为何不再继续南逃呢？因为项羽已经逃无可逃了，陈县是非常重要的战略要地，只有守住陈县，陈县往南的领土才能保住。就类似堵住强盗要堵住门口一样，如果让强盗冲进屋去了，再堵截就要花上更大力气。同时陈县旁的颍水连接长江，项羽安排周殷兵团镇守九江郡，粮食可以从江东四郡运来，在九江郡转运，沿着颍水输送垓下。项羽的军需保证能供应得上。总之，项羽已经不能再跑了，陈县就是西楚军为保卫西楚国必须流尽最后一滴血的地方。
垓下血战
眼看凭自己的力量无法战胜项羽。刘邦再次请教他的高参张良：“诸侯不按约定过来，怎么办？”张良回答说：“楚军快被打垮了，韩信和彭越还没有得到分封的地盘，所以，他们不来是很自然的。君王如果能和他们共分天下，就可以让他们立刻前来。如果不能，形势就难以预料了。君王如果把从陈县以东到海滨一带的地方都给韩信，把睢阳以北到谷城(今山东平阴县南)的地方给彭越，使他们各自为自己而战，楚军就容易打败了。”刘邦说：“好。”于是派出使者告诉韩信、彭越说：“你们跟汉王合力击楚，打败楚军之后，从陈县往东至海滨一带的地方给齐王(韩信)，睢阳以北至谷城的地方给彭相国。”使者到达之后，韩信、彭越都说：“我们现在就带兵出发。”
这种描述方法给我们造成彭越和韩信的领土相差不大的一种印象，事实上查阅一下地图会发现，彭越和韩信的领土差距非常大。从睢阳以北至谷城给彭越，实际只有东郡再加半个砀郡，这也可能是彭越对刘邦比较恭谨的一个原因。
而韩信加封的概念则完全不一样，从陈县往东至海滨实际上包含半个陈郡和泗水郡、东海郡、故鄣郡、会稽郡，加上齐国五郡(济北、齐、胶东、薛、琅琊)，有九郡半的土地，成为仅次于刘邦的第二大势力，比鸿门分封后项羽的土地还大，几乎再造了一个项羽。大家说，战争后刘邦会不会心里直发毛？刘邦内心中估计也是一百个不愿意，不过眼下这关如果过不了，还谈什么未来？只能走一步算一步，用厚赏稳住齐王韩信。
得到刘邦的承诺后，彭越由北向南赶来，而且还带来了缴获的十余万斛粮食。这对于经济吃紧的刘邦来说无疑是雪中送炭。彭越的部队和刘邦会师，从西面和北面围住项羽。
韩信让曹参镇守齐国，继续镇压国境内的反抗，亲帅三十万主力南下，以灌婴为先锋，开始逼近垓下。灌婴部队本来就在彭城，于是一路向东，连克留、沛、萧、相、酂，又攻克苦、谯等地。就这样，韩信军就从东面向项羽围了上来。
汉五年十一月，刘邦派出刘家最能打的战将刘贾南渡淮河，包围了寿春(今安徽寿县)，配合淮南王黥布诱降了楚国大司马周殷。周殷是陈平表扬的所谓项羽手下少有的几位“骨鲠之臣”，周殷是很难招降的，此时却被迫投降了，可见楚军形势的恶化。周殷响应了刘贾的招降，以舒县(今安徽庐江县西)的兵力屠戮了六县，征发了九江郡的兵卒，和黥布、刘贾等人合兵一处，并行北上，屠戮了城父(今安徽亳州南)，到达垓下，从南方围了上来。
项羽真的被团团包围了。
大军压境后，刘邦展开了双方的第一轮前哨战。刘邦向项羽左翼的陈县守将展开了诱降，项羽的令尹灵常(后被封为阳义侯)叛变。灵常和汉军联手攻击了项羽的西侧，驻守陈县的楚将钟离眛和陈公利几的部队被击溃，钟离昧兵败逃亡，刘邦用封侯(封地在颍川郡，具体封地失考)诱降了陈公利几。汉军攻克陈县，等于打断了项羽的左臂，同时也切断了项羽的粮食补给路线。
此时项羽手上大概还有十万人左右的军队，而且粮食匮乏，被数量占压倒性优势的汉军团团包围了，光韩信军就有三十万。汉军在汉相国韩信的指挥下步步紧逼，不给项羽偷袭的机会。军粮匮乏之下，再拖延时日只能是等死，因而项羽被迫主动要和汉军决战，寄希望于楚军的战斗力，争取击溃汉军，打一场奇迹之战。
汉五年十二月，楚汉双方在垓下摆好阵势，准备展开决战。韩信自帅三十万大军居中，蓼侯孔藂居左，费侯陈贺居右。刘邦部队在韩信后方，绛侯周勃、棘蒲侯陈武(也做柴武)的部队在刘邦的后方。显然，汉军依然对楚军骁勇的冲击力感到畏惧，将部队厚度叠厚，准备利用数量上的优势以抵消楚军的冲击力。为了防止万一韩信军真的被项羽冲垮，刘邦又统领周勃、陈武组成第二道战线。刘邦对这次战役非常重视，这是真正的人生大考，主考官就是项羽，刘邦已经重修了很多次。我们可以想象，刘邦坐在战场上是什么样的紧张和不安，应该还有兴奋和期待，打了四年多的仗，今天要做一次了结了。垓下决战的过程毫无美感可言，只是纯粹的杀戮，双方都准备拼凶斗狠，不同的是汉军拼数量，楚军拼质量。
开战后，项羽一马当先，率领楚军以雷霆攻势向汉军发动猛攻。韩信也指挥军队向楚军压了过来，双方一接触，质量差距就体现出来，汉军抵挡不住楚军的凶猛，伤亡逐渐加大，战线一直向汉军的纵深方向推进。韩信指挥军队向后稍微退却，抵消楚军的部分冲击力。汉军虽然伤亡惨重，但没溃败。随着激战时间的延长，楚军的伤亡也开始增大，阵型开始松散，攻击力逐渐减弱。
汉军两翼的孔藂、陈贺部逐渐凸出，开始向楚军的两翼包抄。楚军猛攻猛打却不能打破韩信的阵型，被汉军包夹后兵力不足的劣势更加明显，韩信开始转守为攻，楚军终于抵挡不住了。项羽知道楚军的攻击力已经枯竭，再也攻不动了。看着层层叠叠的汉军保护下的韩信和刘邦，项羽只能无奈地回头。楚军败下阵来，退入军营。这一仗楚军士兵阵亡约两万人，约占总兵力的20%，再加上伤兵，楚军已经基本失去了战斗力。
项羽被围困在垓下的营垒，兵少粮尽，汉军及诸侯兵把他团团包围了好几层。深夜，听到汉军在四面唱着楚地的歌，项羽大为吃惊，说：“难道汉已经完全取得了楚地？怎么楚国人这么多呢？”项羽连夜起来，在帐中饮酒。这时候，项羽不禁慷慨悲歌，自己作诗吟唱道：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”项羽唱了几遍，美人虞姬在一旁应和。项羽眼泪一道道流下来，左右侍从也都跟着落泪，没有一个人能抬起头来看他。
“鸟之将死，其鸣也哀。”此时的项羽感到大难将至，放心不下的两个，一个是坐骑乌骓马，另一个是美人虞姬。当夜，不甘于失败的项羽骑上心爱的乌骓马，率领精心挑选的八百多精锐骑兵，趁夜突破重围，向南冲出，飞驰而逃。天快亮的时候，汉军才发觉，命令骑将灌婴带领五千骑兵去追赶。
有人说“四面楚歌”是张良的计谋，有人说是韩信的计谋，目的在于瓦解楚军的斗志，让楚军士兵大量叛逃。但实际上，张良、韩信的传记根本没提这是计谋，“四面楚歌”可能根本就不是计谋，只是偶然事件而已，楚军也没有因为“四面楚歌”而瓦解。既然四面楚歌并没有真正瓦解楚军的士气，那项羽为何要逃跑呢？
古代通讯技术不发达，项羽不可能一个电话就知道某地的具体情况。之前灌婴虽然**西楚腹地，但毕竟没有过长江。项羽一直认为江东四郡(九江、庐江、会稽、故鄣)还在手上，因而自己必须坚守垓下，以阻挡汉军进一步南下，侵入四郡。只要土地还在手上，自己有地盘、有人口、有军队、有粮食，还有东山再起的机会。但是汉军队伍内忽然出现了数量庞大的楚人，令他疑惑：“汉皆已得楚乎？是何楚人之多也！”
这个不正常现象引起了项羽的警惕。他判断汉军可能已经渗透进长江南，占领了江东四郡或部分，而且正在不断扩大占领区，征召了大量楚人入汉军，这才出现“四面楚歌”这个现象。既然江东四郡已经沦陷，那么在垓下坚守已经没有意义了。
同时，项羽还有另一个判断，就是汉在江东的统治未必已经稳固，自己必须马上回到江东，乘汉在江东的统治尚未牢靠时重夺江东，兴许还有复兴的机会。因此，项羽被迫壮士断腕，抛弃八万子弟兵，精选八百精锐骑兵，在夜色的掩护下逃出汉军的包围圈，组织策划非常成功。到了天快亮的时候，汉军才发觉。项羽的南逃意味着垓下楚军的末日。汉军随后向群龙无首的垓下楚军发动了进攻，楚军被“斩首八万”，全军覆没。