漢高祖二年（前205年）至四年（203年），劉邦在“韓信分兵北舉河北、對楚實施戰略包圍”的“以勢制楚”策略基礎上，整合謀臣張良的建議，利用政治、外交手段，拉攏與項羽有隙的英布和彭越，爲己方平添了兩支奇兵，之後又藉助其二人獨立統兵的能力，或襲擾楚軍後方，或南下楚境進行發展，大大地減輕了成皋正面戰場上漢軍的壓力，從而爲北上的漢軍韓信部爭取了寶貴的時間。韓信也不負所望，接連滅代、破趙、定燕，穩固了河北的局勢，並於“濰水之戰”再次以少勝多，大破二十萬楚齊聯軍，斬龍且，平定三齊，不僅消滅了楚國僅餘的一支預備隊，而且佔領三齊之地，盡去楚國北地之屏藩，實現了“迂迴楚軍側後”的戰略設想。至此，漢軍可直接威脅到項羽的統治中心彭城，對楚形成了既定的戰略合圍，扭轉了“楚漢之爭”的根本局勢，使得戰爭形勢日趨明朗。
四年八月，通過長達兩年又四個月的拉鋸戰，漢軍終於使得與之對峙於廣武的楚軍顯出了疲態，楚地兵員近於枯竭，糧草輜重也已無繼。而劉邦在戰後分封的問題上沒能與韓信、彭越等諸侯達成一致，故也沒能調來韓信、彭越等人的同盟軍，無法對楚軍進行最後的合圍。因此，楚、漢雙方只得作罷，隨後進行了一次戰略妥協，史稱“鴻溝之盟”，以戰國時魏國所修建的運河鴻溝爲界，重新劃分天下，鴻溝以東歸項羽，以西歸漢王。
隨後，九月，項羽率所部十萬楚軍繞南路、經固陵向楚地迂迴撤退，劉邦也欲西返關中。然而，正當劉邦打算回軍之時，謀士張良、陳平卻認爲，漢有天下大半，且諸侯親附，楚兵已經疲敝乏食，正是亡楚的大好時機，斷不能放虎歸山，建議劉邦撕毀“鴻溝和議”，趁楚軍疲師東返之機，在其背後發動偷襲，一戰而定天下。劉邦認同了二人的判斷，遂背盟約，向楚軍突然發起戰略追擊。大軍追至夏南時，劉邦遣使約集韓信、彭越南下，共同合圍楚軍。五年（前202年）十月，劉邦親率漢軍主力追擊楚軍至固陵（今河南太康），而韓、彭二人卻沒有一人出兵配合劉邦。項羽得知後，藉機突然發動反擊，斬殺漢軍近兩萬餘人，再次將漢軍擊敗。劉邦被迫率軍退入陳下，堅守不出。此時，張良再次進諫劉邦，勸其承諾分封自陳以東傅海與韓信，睢陽以北至谷城與彭越，利用政治手段，使二將各自爲戰，儘快出兵，與漢軍合力滅楚。劉邦依計而行，韓、彭二人果然盡起麾下精銳南下。齊王韓信親率大軍從齊地南下，佔領包括彭城在內的等廣大西楚北部地區，兵鋒直指楚軍側背，自東向西夾擊項羽；樑王彭越率軍數萬從樑地出發，先南下後西進，與劉邦的漢軍主力會師，共同逼迫楚軍後退。與此同時，漢將劉賈率軍數萬會同九江王英布，自淮北出發，從西南方發動對楚地的進攻，先克壽春，再下城父，並將此城軍民全部屠盡；而鎮守南線的楚將大司馬周殷也在此時叛楚，先屠滅六縣，再與英布、劉賈會師，隨後北上合擊項羽；劉邦則得到蕭何徵募的關中兵員補充，率漢軍主力二十多萬出固陵東進。劉邦集團共有五路大軍、合計近七十萬之衆，形成從西、北、西南、東北四面合圍楚軍之勢，項羽被迫率十萬楚軍向垓下（今安徽靈璧南，一說今河南淮陽、鹿邑間）後撤。此時的項羽已經失去了西楚國位於長江以北的全部土地，而距離江東五郡很遠，即使衝破包圍圈，也很難在漢軍的追擊下及時回到己方領土，十萬楚軍業已成爲名副其實的孤軍，加之根本沒有半點補給，缺糧已達數月，軍中士氣十分低落。
十二月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等五路大軍於垓下完成了對十萬楚軍的合圍。劉邦任命韓信爲全軍統帥，統一指揮大軍作戰。韓信遂命劉賈、英布軍自南將楚軍外圍出路全部封閉，命彭越軍抑制楚軍北去的通路，自己則親率自軍主力與劉邦本部軍共計五十萬人向困守垓下的十萬楚軍發起進攻，誓在此地與楚軍一決雌雄！
當是時，爲了防止楚軍的困獸之鬥，韓信將主力大軍排成了一個非常厚實的“五軍陣”，以抑制項羽標誌性的衝鋒，即韓信親率三十萬大軍居中，爲前鋒主力；將軍孔熙率軍數萬在韓信軍左方；陳賀率軍數萬在韓信軍右方；劉邦率本部主力尾隨韓信軍跟進；將軍周勃率軍斷後。安排停當後，韓信率本部軍先行向楚軍發動挑釁性進攻，項羽立刻親自率領十萬楚軍發動其標誌性的中央突破作戰，矛頭直指韓信本部，試圖通過凌厲的衝鋒將韓信軍擊潰。然而，韓信只是與楚軍稍作簡單的接觸，便立刻命令漢軍後撤，避其鋒芒。漢軍一路依照計劃、且戰且退，而楚軍則是繼續孤注一擲的瘋狂突擊。由於漢軍堅實的縱深和充分地準備，使得項羽的鋒矢根本不能接觸到韓信的指揮系統，無法像以往一樣，擊潰漢軍，反而使得自身的陣型出現散亂，造成前後軍間的脫節。另一方面，當韓信以前陣爲屏障掩護劉邦軍回撤退避的同時，孔熙、陳賀所率的左右兩軍也自楚軍左右兩側進行着迂迴機動，威脅楚軍側翼。韓信見時機成熟，率軍發起反擊，楚軍大敗，退入壁壘，爲漢軍所圍。這就是著名的“十面埋伏”計，由韓信率領的先頭陣勢實際上是一個僞陣，用作牽制引誘敵軍，目的是爲了創造機會使兩翼奇兵得以快速突破形成合圍，可見，“五軍陣”是一種以優勢兵力對抗少數精銳之敵的陣法，意在合圍全殲對手。
漢軍成功圍困項羽後，韓信接受張良的建議，命漢軍士卒夜唱楚歌，積極展開心理攻勢。項羽驚聞楚歌，以爲楚地皆被漢軍所奪；楚軍士卒亦思鄉厭戰，軍心瓦解。項羽只得率八百人突圍，韓信遣騎將灌嬰追之至東城，項羽見大勢已去自剄而死。至此，以漢軍的全勝爲兇兇數歲的楚漢之爭畫上了句號。“垓下之戰”是楚漢相爭中決定性的戰役和終結點，更是中國歷史上具有重大意義的里程碑事件，其終結了秦末諸侯混戰的局面，再次實現華夏的統一，爲日後的兩漢盛世奠定了基礎，影響深遠，名炳千秋。
是役中，漢軍以“鴻溝之盟”作爲緩兵之計，在時機成熟時，突然發起戰略追擊，積極調集援兵，多路圍攻，在垓下以絕對優勢兵力全殲楚軍，創造了中國古代大規模追擊戰的成功戰例。拋開人文和感情的因素不論，項羽的“垓下之敗”卻也是情理之中的。首先，項羽爲人暴戾，在戰爭中製造了太多的屠城與殺降，征服一地、殺戮一方，殘暴程度有過於秦庭，這也就激起了關中與山東民衆的怨恨；對於自己的盟友，又憑藉自身勢力的強大，頤指氣使，視諸侯如草芥，導致了諸侯們的陽奉陰違或公開反叛，當垓下之戰時，項幾乎與全天下爲敵。其次，項羽自賞其能、發伐其功，事事總憑一己之力，不願放手使用人才，自楚歸漢的人才舉不勝舉，劉邦手下的人才除了蕭何、曹參，大多來源於楚。想其在“東城快戰”之時，還不忘表現自己，還在滿足於下屬最後的崇拜，這是多麼可嘆而又可悲的事情啊！其三，項羽戰術超羣，但缺乏戰略眼光，指揮的只是一些孤立的戰鬥，缺乏對遠景的規劃和戰略部署。反觀劉邦集團，君主劉邦自身姿態很低，親和民衆而又善於使用人才。在政治上，其依靠蕭何在關中建立了很好的政治體系，獲得了基層民衆的支持，多次募兵徵糧，爲漢軍的外線作戰提供了堅實的物質支持；外交上，任用陳平、酈食其，積極開展外交斡旋和諜戰活動，分化項羽集團，將彭越、英布等人招致麾下，既削弱了楚國，又爲自己平添了臂膀；軍事上，依照“正面相持、後方襲擾、翼側牽制、迂迴發展，最終實現對楚合圍”的戰略設想，重用韓信、英布和彭越三人，利用英布和彭越獨立統兵的能力或襲擾楚軍後方，或南下楚境進行發展，大大地減輕了成皋正面戰場上漢軍的壓力，同時令韓信北上開闢第二戰場，最終形成了對楚的戰略合圍。期間，漢軍指揮集團非常注意政治、軍事、外交的聯合使用，從而達到“正兵”與“奇兵”的密切配合，“主戰場”與“次戰場”的相互支撐，“前方”與“後方”的彼此協調，將“正面相持”、“後方襲擾”“翼側牽制”和“迂迴發展”有機地結合起來，不斷調動削弱楚軍，促使雙方力量發生反轉，最終導致了垓下之時漢軍對楚軍絕對優勢的形成。總而言之，項羽缺乏政治頭腦和用人的智慧與勇氣，戰場上又只是關注於局部的勝利，而忽視了其間有效的聯繫與佈局，進行的只是一場場孤立地戰鬥；劉邦集團則是將軍事戰鬥作爲一種途徑，以戰略的高度綜合政治、軍事、外交等手段，與項羽進行的一次集團間的全方位競爭。軍事鬥爭也只有到達了這個層次，才能夠稱作“戰爭”。