当项羽听到龙且援齐失败被杀、全军覆没的消息，非常恐慌，就派了盱眙人武涉去游说韩信叛汉联楚，三分天下。但韩信没有答应。武涉走后，齐国人蒯通知道当时天下的胜负取决于韩信，就假托给人看相来进行游说；也是要他叛汉而独立。蒯通和他谈了几天，从天下形势的分析，谈到古今君臣朋友之间只能共患难、不能共安乐的具体事例，并用了很多生动的比喻，要韩信把握时机，当机立断。但是韩信认为汉王对他太好了，不忍心背叛，同时，他又以为自己的功劳大，汉王总不会夺去已封给自己的齐国，于是婉言谢绝了蒯通的建议。
公元前203年8月，汉军在成皋等地打了几个胜仗以后，士气旺盛，粮食充足，而项羽的军队，东奔西跑，作战频繁，疲惫不堪，同时粮食供应断绝。汉王抓住这个有利时机，两次派人去游说项羽停止敌对行动，最后，双方终于达成和议，议定以鸿沟（在今河南中牟，即贾鲁河）为界，平分天下，鸿沟以西归汉，鸿沟以东归楚。于是后来人们常以鸿沟比喻界限分明。项羽将刘邦的父亲和妻子送了回去，然后领兵东归，回到彭城。
汉王也打算西归，张良、陈平建议说：“汉已占据大半天下，诸侯都归服我们，现在楚军兵疲粮尽，这是上帝要灭亡楚国的时候了，应该趁此机会把它夺取过来。如果现在放过去不打，这就是所谓‘养虎自遗患’。”汉王采纳了这个建议，撕毁和约，继续东进。
公元前202年，刘邦追击项羽到阳夏（河南太康）南面停了下来，和韩信、彭越约定日期前来会合，并力共击楚军。刘邦军到了固陵（河南淮阳西北），韩信、彭越的部队没有如期到达，楚军进行反攻，把汉军打败。汉王只好进入营垒，深挖壕沟，坚守自卫。形势又处于危急状态，汉王很着急，问张良：“诸侯们不遵从约定，现在怎么办呢？”汉王不了解他们违约的原因。彭越是公元前205年春天率领他的部队三万多人在外黄（河南杞县东北）归附汉王的，以后，一直在魏地活动，被汉王任命为魏相国。他在魏地骚扰项羽的后方，牵制项羽的兵力，并将夺得的粮食支持刘邦。这次他接到通知去围攻项羽，却推托说：“魏国这块地方还刚刚平定，对楚国还很畏惧，如果不在这里镇守；恐怕有变乱，所以不能前往。”韩信接到通知虽然没有说什么，但不听调遣，按兵不动，这更是明显地逞兵要挟。根据这些情况，所以张良说：“立韩信为齐王，并不是君王你的本意，韩信自己也知道他的王位并不稳固。魏国那片地方，是彭越平定的，建立了很多功劳，当初君王你因为魏豹是魏王的缘故，你就只任命彭越为魏的相国。后来魏豹死了，他没有继承人，而且彭越自己也想称王，而君王你又不早点确定下来，现在楚军就要崩溃了，韩信、彭越没有得到明确的封地，他们不来会合是很自然的。如果君王你能够和他们共分天下，他们就一定会立刻前来。如果不能这样做，事情的发展就难以预料了。君王你能把陈县以东一直到海边的地区都给韩信，把睢阳（河南商丘）以北一直到谷城（山东东阿南）的地区都给彭越，让他们各为自己的封地而战，这样，打败楚军是很容易的。”汉王说：“好。”于是立即派使者去告诉韩信、彭越：“合力攻击楚军。把楚军打垮以后，自陈县以东一直到海滨给予齐王，睢阳以北一直到谷城给予彭相国。”汉王的使者将命令传达以后，韩信、彭越都说：“立刻发兵。”于是，韩信的部队从齐国出发，彭越和刘贾（刘邦的堂兄）率领的部队从寿春（安徽寿县）出发，他们两支部队并行南二，血洗了城父（安徽毫县东南）之后，来到垓下（安徽灵壁东南）。这时，大司马周殷背叛楚国，以舒县（安徽舒城县）的兵马攻破六县（安徽六安），同时发动黥布出兵，使这次大战又增添了二路人马。四路大军会集到垓下，矛头集中指向楚王项羽。
这是一场决战。韩信率领三十万人马作为主帅亲自正面临阵，孔熙将军担任左翼指挥，陈贺将军担任右翼指挥，汉王在后面督师，周勃和柴将军率领部队在汉王后面护卫。项羽的部队约十万人，也摆开了阵势。韩信先与项羽军交锋，没有取得胜利，向后退却。孔熙和陈贺左右两翼纵兵出击，楚军受挫，韩信回军猛攻，将项羽打得大败。项羽退入垓下的营垒坚守，但兵疲粮尽，汉王军和各路诸侯军把他重重包围。夜晚，项羽在营中忽然听到四面的汉军都唱着楚歌，不觉大惊失色，说：“汉军已经完全征服楚国了吗？为什么楚国人这么多呢？”从此，“四面楚歌”就成为一个成语，比喻孤立无援、四面受敌的处境。项羽心烦意乱，不能入睡。于是半夜起身，在营帐中饮酒。有个叫虞姬的美人，项羽经常带在身边；有匹叫骓的骏马，项羽经常骑着作战。在这种凄凉、危急的情况下，面对美人和战马，项羽不禁感慨万千，作歌一首，慷慨悲愤地唱道：
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！
项羽歌唱，美人应和。虞姬唱道：
汉兵已略地，
四方楚歌声。
大王意气尽，
贱妾何聊生。
两人唱和几遍，项羽的眼泪一行行落下。左右的人也低声饮泣，悲痛使得人们不能抬头仰视。
项羽独自上马，部下壮士骑马跟随的有八百多人，连夜突出重围，向南飞奔而去。天亮，汉军发觉，命令骑兵将领灌婴率领五千骑兵追赶。项羽渡过淮河，骑马跟随的只有一百多人了。项羽到阴陵（安徽定远西北），迷失了方向，向一个种田人问路，那种田人欺骗他说：“向左。”项羽往左去，结果陷进了沼泽地带，因而耽搁了赶路的时间，被汉军赶上。
项羽又领兵向东，到了东城（安徽定远东南），只剩下二十八个人了，而追赶的汉军骑兵有几千人。项羽估计摆脱不了，对跟随的将士们说：“我从起兵到现在八年了，身经七十余战，敢于阻挡我的，无不被我击破，我所要攻击的地方，没有不降服的，从没有打过败仗，因此称霸天下。然而今天却被围困在这里，这是天要灭亡我，并非我不会打仗的过错。今天我决心战死，愿意为你们打一个痛快仗。我一定要三次取胜，为各位突破重围，斩杀敌将，砍倒敌军的大旗，让你们知道是天要灭亡我，并非我不会打仗。”于是，他把将士分为四队，面向四方，在汉军重重包围之中，项羽对将士们说：“我为你们斩一员敌将。”他命令将士从四面冲下去，约定冲过山的东面分三处集合。项羽大声呼喊着冲了过去，汉军一见惊慌溃散，他立即斩了一员汉将。这时，赤泉侯杨喜为骑兵将领，追了上来，项羽一见，怒眼圆睁，大声一吼，如同巨雷，杨喜竟吓得连人带马倒退了几里地。项羽和将士们会合在约定的三个地方。汉军不知项羽所在，就将部队分为三部分，重新包围起来。项羽骑马奔驰，又斩了汉军的一个都尉，杀了数十百人，再把人马集合起来，清点人数，只丧失了两个。于是项羽对将士们说：“怎么样？”将士们都佩服地回答说：“正如大王所说的。”
项羽打算向东渡过乌江（安徽和县东北的乌江浦），乌江亭的亭长移船靠岸在那里等待着，他对项羽说：“江东虽小，地方上千里，民众数十万，也足以称王。希望大王赶快渡江。如今只有我这条船，汉军来到，是没有办法过去的。”项羽笑着说：“天要灭亡我，我还渡江干什么！况且我项籍与江东子弟八千人渡江向西进军，今天没有一人回来，即使江东父老怜悯我，同情我，奉我为王，我又有什么面目再见他们呢？即使他们不说，我项籍难道心里不觉得惭愧吗？”接着他又对亭长说：“我知道你是个忠厚长者，我骑这匹马有五年了，所向无敌，曾经一日行走千里，我不忍心杀它，就送给你吧。”于是，他让将士们下马步行，持短兵器交战。单单项羽一个人就斩杀汉军几百人。项羽身上也受了十多处伤。这时，他回头看见汉军的骑司马吕马童，对他说：“你不是我的老朋友吗？”吕马童面对项羽，指给王翳说：“这就是项王。”项羽于是说：“我听说汉王用赐千金、封万户的重赏买我的头，我送给你做个人情吧。”说罢，就自刎而死。王翳割去项羽的头，其余的骑兵为了争夺项羽的尸体，纵马践踏，互相残杀，死了几十人。争夺的结果，郎中骑杨喜、骑司马吕马童、郎中吕胜和杨武各夺得一部分肢体。五个人把肢体合拢起来，都能对得上。请功的时候，汉王就把准备封赏的一万户分做五份，分别封吕马童为中水侯，王翦为社衍侯，杨喜为赤泉侯，杨武为吴防侯，吕胜为涅阳侯。
项羽死后，楚国的地方都投降了汉王，惟独鲁城（山东曲阜）不降，汉王于是带领天下兵马打算血洗此城。但因为他们遵守礼义，宁为他们的君主牺牲也不肯丧失节操，汉王于是就拿了项羽的头给鲁城人看，这样，鲁城才降。起初，楚怀王曾封项羽为鲁公，项羽死后，鲁城又最后投降，因此，汉王用埋葬鲁公的礼仪把项羽埋葬在谷城。汉王为项羽发布讣告，举行祭奠仪式，哭了一场才离去。项羽终年三十二岁。
勇猛善战、叱咤风云于一时的项羽，为什么落得这样一个悲惨的下场，司马迁在《项羽本纪》的最后一段作了分析。司马迁说：“……炫耀战功，逞自己的聪明才智，以为完成霸王之业，经营天下，仅凭武力就行了，结果只有五年时间就使国家灭亡，身死东城，尚不觉悟，不自责，这已经错了，还说什么‘天要灭亡我，并不是我不会打仗’，岂不荒谬吗！”刘邦在洛阳南宫大摆筵席举行庆功会的时候，也谈到了双方成败的原因，他说：“制定周密正确的战略计划，保证远近战场都能取得胜利，这方面我比不上张良。镇守国家，使百姓安居乐业，筹措粮草，保证前方的供给，这方面我比不上萧何。指挥百万大军，战必胜，攻必克，这方面我比不上韩信。这三个人都是出类拔萃的人才，我能用他们，所以能够夺取天下。项羽有一个范增却不能用，这就是他被我打败的原因。”司马迁和刘邦对这场战争胜负的分析虽然不全面，但也不无道理。
楚汉战争，以刘邦胜利而告结束。