武涉没有完成任务就回到了项羽那里，项羽见策反不成，自己的兵力又不足再战，焦虑不堪。而刘邦也因为屡战不胜，加上对韩信的不放心，所以感到很疲惫，不愿再打下去了，前来和项羽议和，项羽也觉这是唯一一条出路了,就和刘邦商定划鸿沟为界(鸿沟是古代的一条运沟，大致方位是从今天河南省荥阳附近的黄河引水，经中牟、通许、太康，直到淮阳东南入颍河的这么一条斜斜的线路上),东属楚，西归汉，讲好各自天下，从此停战。项羽还把刘邦的父亲和妻子都送到汉营之中，然后就安安心心地率兵东去，准备回他的彭城。
刘邦也张罗着要西回关中，刘邦不打了，和项羽讲和了，这并不是他的野心没有了，而是他觉得实在没有精力打下去了，想先讲和借机调整一下，等到精神头养足了再打。可是，张良和陈平却不甘心撤退，他们对刘邦说：我们休整，项羽他也休整，现在不把他消灭了，将来更对付不了他，这无异于纵虎归山。
刘邦一想也对，可是，兵力不足怎么办，这时，他又想到了韩信，在张良和陈平的建议之下，他对韩信许诺要把现在项羽的楚国的地盘加封给韩信，然后要求韩信共同出兵击楚。
韩信既然无心反汉，对刘邦仍是忠心一片，当然听从，而且韩信也认为现在应该一鼓作气把项羽消灭掉，而不应放虎归山，于是立即率兵南下，前往彭城与刘邦等共同击楚。
与此同时，刘邦用同样的利诱手段调集了彭越大军和英布大军。
项羽在回军途中听说刘邦又毁约杀来，他又惊又怒，又得知前方彭城已被韩信大军攻下，后方全部被汉军战领，只好引军东南向撤到垓下(约今河南省鹿邑东)。
项羽到垓下后发现已无路可逃了，陷入了汉军四面大军的包围之中，项羽英勇一世，这时自然也不会束手就擒，于是，他心一横，决定用手里的仅有的10 万兵力，与总数不少于70 余万的汉军决一死战。
虽然兵力众寡悬殊，可是，以前用3 万兵力不也把刘邦的56 万大军杀得大败而逃吗 ！他的一生中不知道打过多少次以少胜多的仗了。也许，这一次也不会例外。
可是，这一次他的对手却是韩信，刘邦把所有的指挥权都交给了韩信。韩信在以前所有指挥的战斗中也都是以少胜多的，像这一次这样以绝对优势兵力同敌人正面作战还是头一遭。
但是，韩信丝毫没有轻敌，而是依照兵法郑重地布置了一个方阵。所谓阵，就是一种合理的兵力部署，它能使参战的各部兵力之间很好地相互照应，让各部兵力在战斗中能发挥出更大的战斗力。韩信布好阵之后就开始和项羽展开战斗。项羽和他以往一样，一上场就发动猛攻，韩信率先应战。我们知道，项羽的确勇猛无比，从个人作战力讲，韩信绝非他的对手。但是，韩信自也有其善于智取的优势。
韩信率军迎战后很快支持不住，但他是于自己布置的阵中作战，对于项羽的勇猛无惧他自有办法。他支持不住也不硬挺，立即又引兵后撤，他一后撤，项羽就向前追击，这时，事先安排好的接应部队立即从左右两边突然杀出，猛攻楚军侧面。于是，韩信在项羽大军穷于应付两侧的进攻时又引兵杀回，于是，将楚军三面包围，双方激战一天，楚军终于大败。项羽只好率残部退回营中坚守不出。韩信也没有硬攻，只把楚军四面包围在当中。
到了晚上夜深人静之时，韩信突然命令汉军营中会唱楚国民歌的人展开喉咙唱起楚歌来，一时之间，被包围的项羽军营四周传来阵阵楚国歌声。项羽一听，大吃一惊，以为汉军已尽占楚地，连招来的兵都尽是楚兵了。项羽吃惊还不打紧，他的那些士兵们听了这歌声却更受不了，渐渐地全部安静下来，静静地听着周围传来的家乡的歌声，静静地思念着家中的亲人，渐渐在每个人脸上出现了泪痕，接着，有人带着哭声轻轻地跟着外面的歌声和唱起来，一个，两个，越来越多的人跟着唱了起来，声音越唱越大，越唱越悲，越唱越绝望。
项羽怎么也想不到这半夜的歌声竟有这么大的威力，只见他的士兵们一个个抹着眼泪，放下手中的刀、枪，偷偷地向营外逃去。
同样，项羽的两眼也在此起彼伏的悲歌声中湿润了。他无法抗拒歌声带来的伤感，竟然一气创作出了他那惟一著名于世的诗句：
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！
四句诗中，英雄、江山、宝马还有美人，可惜呀，这已是悲壮的无奈。
项羽在诗中的美人就是他最深爱的虞姬，他与虞姬相爱笃深，连行军打仗都带在身边，虞姬对他更是一往情深，在听完他的诗后，已深深地体会到了他内心的痛苦和绝望。她也悲伤地和了一首：
汉兵已略地， 四方楚歌声。 大王意气尽， 贱妾何聊生！
虞姬把她的诗句唱完后，拔剑自杀，项羽悲痛欲绝。
楚歌声还在空中回荡，可是，美人却死去了，项羽这才惊觉原来汉营中的歌声是有目的的，在不知不觉中，他项羽在楚歌声的强大攻势之下败下阵来了。于是，他连忙叫人清点人马，结果剩下的壮士仅有八百人了。
项羽立即集中这八百壮士，连夜突围而逃。到天亮后汉军才发现项羽已逃，韩信忙派人追赶，项羽一直向东南逃跑，一路上人马折损，渡过淮河到阴陵时，跟随于他身边的人马只有百余人了，恰在这里又迷了路，问一个老农，老农不知有意还是无意，把他指引入了一片沼泽地中，使得汉兵很快追上，一番激战后又逃到东城，这时，手下只有二十八骑人马了。而追来的汉兵则是数千人，他知道已不可能再活命了，于是对手下二十八人说 ：“从我起兵反秦到今天已有八年了，身经七十余战，从来是攻无不克，战无不胜，从未败过，因而得以称霸天下，而今天被困于此，这
是上天要灭亡我呀，不是我作战不利。今天，我固然难免一死了，但我还要和他们痛痛快快地打上一仗，我要三战三胜，为大家突围，斩一汉将、砍倒一面汉旗，要让大家看到，这确是上天要亡我，不是我作战不利的结果 。”
说完，将二十八人分为四队，向四面突围，可汉军却将他们团团围住，项羽又对大家说 ：“让我先去为大家斩一汉将 。”然后杀入汉军群中，汉军看到如此勇猛的项羽，都吓得直往后退，项羽不一会儿就杀一汉将退回与他的人马会合，这时他的人马被分为了三队，三队分别被汉军重重包围，项羽又杀入人群中，又斩一名汉将都尉一人，又杀死汉兵无数。然后又回来把所剩楚兵聚于一处，这时，手下楚军仅损失了两人。然后，突围再逃至乌江岸边，因前无去路又停下来。
恰在这时乌江边上一亭长驾了一只船前来，亭长劝项羽乘船渡江，于江东再谋东山再起之日。可是，倔强的楚霸王却觉得无颜再见江东父老，拒绝上船，又杀回汉军的人群之中，杀了百余人后感到精疲力尽了，不甘心为人所杀而自刎。死后，尸体被争夺的汉军兵将分成了五大块，至此，霸王归命。
之后，韩信又派人提着霸王项羽的人头来到楚国鲁地，使那些宁死不降的人终于投降了，于是，楚国之地全被汉军占领，楚汉战争告一段落。
垓下之战中显示出了韩信杰出的军事才能，巧用“阵法”破敌，使己军损失减到最少，更为有特色的还是“四面楚歌 ”，这简直是把“攻心战”运用得出神入化了。用歌声来做击敌作战的武器在整个战争史中都是少见的。
闻名历史的垓下之战，是项羽一生中惟一的也是致命的一次战场上的惨败。他败给了曾在他帐下当执戟侍卫的，他从未放在眼里的韩信，至死也不认为是自己的错误造成的，还强自怨天。
其实，何止这一战败给了韩信，连他整个的霸业都是毁于韩信，没有韩信，刘邦恐怕连杀出汉中都办不到；即便刘邦杀出汉中，他项羽也可以很容易地取掉刘邦之头。
是的，没有韩信就不可能有西汉王朝的胜利，更没有西楚霸王的乌江自刎。现在，刘邦胜了，霸王死了，可是，这些对韩信来说，又意味着什么呢？