開始
公元前202年(高祖五年)十月下旬，灌嬰引兵進佔彭城，同時攻下楚地許多地區。被劉邦封爲淮南王的英布也遣將進入九江地區，誘降了守將、楚大司馬周殷，隨後合軍北上進攻城父(今安徽渦陽東)。劉邦也由固陵東進，形勢對楚極爲不利，項羽被迫向東南撤退。十一月，項羽退至垓下(今安徽靈壁東南，一說在今河南鹿邑縣境內)，築壘安營，整頓部隊，恢復軍力，此時楚軍尚有約十萬人。韓信、彭越、英布等會合劉邦後，漢軍參戰兵力已超過60萬人，十二月(前202年初，當時以十月爲歲首)在垓下將向江南撤退的十萬楚軍層層包圍。
漢軍以韓信親率三十萬人爲主力，孔將軍爲左翼，費將軍爲右翼，劉邦坐鎮後方，周勃、柴武等預備軍在劉邦軍後待命。韓信親率漢軍發動攻勢，初戰進攻受挫後退，在楚軍準備追擊時漢軍左右兩翼迂迴夾擊楚軍，兩軍短兵相接陷入膠着，這時韓信帶領大軍翻身再戰，楚軍在三面夾擊中被擊敗。項羽被迫退回垓下城。
四面楚歌
楚軍雖敗，但漢軍亦傷亡慘重，僵持中，漢軍夜間高唱楚歌。(傳說中有稱是張良用計，讓漢軍夜夜高唱楚歌以瓦解楚兵鬥志，但《史記》中實際並無誰故意“用計”的記載，部分學者認爲可能是同爲楚人出身的劉邦部隊看到數年征戰，最後勝利在望，自發地唱起楚歌。)楚軍自項羽以下莫不以爲漢已盡得楚地，乃士氣崩潰。項羽眼見大勢已去，便乘夜率領八百精銳騎兵突圍南逃。天明以後，漢軍得知項羽突圍，於是派遣五千騎兵追擊。項羽渡過淮水後，僅剩百餘騎相隨，行至陰陵(今安徽定遠西北)因迷路耽擱了時間(《史記》中交代因田父欺騙)，被漢軍追及，項羽突至東城(今安徽定遠東南)，手下僅剩二十八騎。
烏江決戰
項羽指揮這二十八騎，來回衝陣，再次殺開一條血路，向南疾走，至烏江(今安徽和縣東北長江邊的烏江浦)邊，自覺無顏見江東父老，乃令從騎皆下馬，以短兵器與漢兵搏殺，項羽一人 殺漢軍數百人，自己身亦被十餘創，最後自刎而死，年31歲。項羽死後，漢軍全殲八萬楚軍，楚地皆降漢，獨項羽原封地的魯人不肯投降(楚懷王曾封項羽爲魯公)，後劉邦將項羽首級示魯，魯人乃降。至此，歷時4年半之久的楚漢戰爭終以劉邦的勝利而告終。
公元前202年(漢高祖五年)二月甲午日，劉邦稱帝於汜水北岸，建立西漢政權。(漢初承秦制，以十月爲歲首。也即漢高祖五年的第1個月爲十月，接下來爲十一月、十二月、一月、二月、三月、四月、五月、六月、七月、八月、九月。二月爲當年的第5個月。)
