刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻睢阳县、外黄县等地，再次迫使项羽回救。刘邦用计收复成皋，斩杀了项羽大将曹咎。项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武与刘邦形成对峙。
刘邦列举项羽十大罪状，1背信弃义，不让刘邦王关中。2矫怀王令，谋杀领军宋义3违抗王命擅入关中4焚烧秦宫室挖掘始皇陵，掠夺秦财物5杀秦降王子婴6活埋秦降军20万7封赏不公，逼人造反8掠夺他人领地9谋杀义帝10失信。项羽勃然大怒，拉弓射箭，一箭射过去，正中刘邦前胸，刘邦大喊“臭小子，你射中我脚了。”刘邦虽然伤得很重，为安军心，敷点药又坐上战车在军营里巡逻。
不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项羽腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，也叫楚河汉界，东归楚，西归汉，十月，项羽引兵东归。
楚、汉订盟后，项羽便归还了刘邦的父亲和妻子，然后带着自己的人马回楚国去了，刘邦也想集合队伍退兵，张良、陈平提出建议，“我们不能回去，汉有天下大半，而诸侯皆附之，楚兵疲惫，粮食也吃完了，此天亡楚也。正所谓养虎为患，如果你现在不趁机把他灭了，那迟早会害了自己”，于是刘邦下令全力追击楚军。
这个时候刘邦还是没有足够实力消灭项羽，因为其他诸侯还在观望，于是张良说道“舍不得孩子套不住狼，你得答应韩信，彭越这些人，对他们说一起来合兵灭楚。灭楚之后咋们平分天下。”刘邦说“可以，就答应下来。”然后开始封官许愿，于是各诸侯从各个地方发兵一起灭楚…除了韩信，彭越。汉将刘贾率军数万会同九江王英布、合兵十万，自淮北出发，从西南方发动对楚地的进攻，先克寿春，再攻下城父并将此城军民全部屠尽；而镇守南线的楚将大司马周殷此时叛楚，屠灭六县，再与英布、刘贾会师，随后，北上合击项羽；同时，得到关中兵丁补充的刘邦则率本部军二十万出固陵东进；汉军五路大军、合计近六十万之众，形成从西、北、西南、东北四面合围楚军之势，项羽被迫率十万楚军向垓下后撤。
刘邦、韩信统领三十万汉军与十万楚军于垓下展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔藂为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军先诈败，韩信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后部步军。楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑兵分割两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。
后，楚军退入壁垒坚守，被汉军重重包围。楚军兵疲食尽。汉军和诸侯联军将之重重包围，晚上四面传来楚国的歌声。致使楚军上下军心瓦解，项羽只有率八百人突围至乌江，天亮后，汉军发觉项羽离去，于是，灌婴率五千精锐骑兵追击。等他渡过淮河，随从的骑兵只有一百多人了，来到阴陵时，项羽迷路了，他去问一个老农，老农回答往左边走。于是项羽往左去，陷入了一片沼泽，耽误了宝贵的时间。汉军这时追了上来，经过一场激战，项羽又往东去，到达东城的一座山上，只剩下了二十八骑，而追击的汉军却有数千人。
项羽带着二十八骑大战汉军，项羽自忖不能脱身，就对部下说“我从起兵到现在已经八年，经七十余战，抵挡我的人都被我攻破，我打击的人都表示臣服，未尝败北，遂称霸天下，现在困于此，不是我不会打仗，而是天要亡我。今日是要决死战了，我要为诸君痛快地一战，必定要胜利三次，为诸君击溃包围、斩将、砍旗，让诸君知道，是天要亡我，非我不会打仗。”
于是，他分骑兵为四队，此时，汉军围困数重，项羽对他的骑兵们说我为你们杀掉对方一将。于是，他命令骑兵们分四面向山下冲，约在山东面会合。项羽大呼驰下，斩杀一汉将。赤泉侯杨喜追项羽，项羽大喝一声，杨喜的人马俱惊，退后数里。项羽与骑兵分为三队，汉军不知项羽在哪队，就也分三队包围。项羽飞驰而出，又斩杀一汉将，同时杀近百人，再会合骑兵，仅损失两骑，项羽问怎么样？骑兵们钦佩地回答和大王说的一样。
项羽一路逃到乌江，遇见乌江亭长，亭长劝项羽可以回到江东以图东山再起，但项羽以无颜见江东父老为由拒绝，并将自己坐下马和自己的兵器天龙破城戟赐予亭长。于是，项羽下马步战，一口气杀了汉兵几百人，自己也受了十几处的伤。此时汉骑司马吕马童追来，项羽说你不是我的故人吗？吕马童不敢正视项羽，指着同僚郎中令王翳说这就是项王。项羽说我听说刘邦用千金买我脑袋，还可以食邑万户，我这就给你恩惠！而后挥刀自刎。项羽的头颅被王翳取走，其余骑兵争相抢夺项羽尸体，以致有数十人死伤，最后郎中骑杨喜，骑司马吕马童，郎中吕胜、杨武各自得到项羽尸体一部分，楚地自此归汉。
但是项羽原来的封邑鲁地拒绝降汉。刘邦率领诸侯兵，拿着项羽的头颅去招降鲁地父老，使鲁地降汉。随后刘邦便以鲁公的规格安葬项羽于谷城。项羽的同姓宗亲都被赐姓为刘，余部必须直呼项羽的名字“项籍”才能被汉朝录用为官。
垓下之围时时刘叔也在垓下，这里是吴家的地盘，就在谷阳或者叫灵璧的南边，当年刘叔就是在这里替天行道。只是现在已经物是人非了，他也算和吴家和解了。吴老说“项羽天生神力，又生有双瞳，普通人是杀不了他的，只有逼他自杀”，刘叔就想求吴老帮忙，吴家提出要求就是项羽的尸体必须归他们。刘叔点头同意，所以后来项羽在垓下一切都是被刘叔看的一清二楚，项羽所走路线也是吴家安排，阴陵老农正是安排的吴家人，项羽所去的地方也是刘叔配合吴家人建成的困龙阵，而所谓的乌江亭长也是吴家人，只要项羽上船，必将淹死在江里。刘邦那边也交代了劲量只围不杀。事后，刘叔拜谢吴老，吴老关心的提醒了一下，“如果我感应的没错，你们的大仇家肯定会来报仇！”刘叔点点头，知道吴老说的是谁。这些老妖怪，一个比一个精，什么事都逃不出他们的法眼。或是元婴实力强大感应到了承负。