楚汉边界既已划定，项羽准备拔营起寨东归彭城，刘邦也传令将士整顿行装，准备西返栎阳（今陕西境内）。
张良、陈平以他们谋略家的敏锐洞察力看到项羽已至穷途末路，便坚决地请求刘邦继续与项羽作战：“汉王志在统一天下，我们请大王与项王讲和，是为救回太公和夫人。现在他们两人都已经安全返回，当前时机正好与楚军作战。我们已经占据了大半个天下，各路诸侯也都来依附，相反的是项羽连年作战，疲惫不堪，粮食也已吃尽，这正是天意亡楚。如果汉王不抓住良机去攻打，任由项羽东归养精蓄锐，就是放猛虎归山林啊！”
刘邦深信张良、陈平二人，采纳他们的建议，毁掉刚刚签定的以鸿沟为界互不侵犯的和约，迅速起兵穷追猛打回撤的项羽。
项羽得知刘邦竟然背弃刚刚签定的和约，率军从西边追来，登时火冒三丈，咬牙切齿，唾骂刘邦无耻。他带领将士掉转马头直击追兵，恨不能把刘邦生吞活剥。
此时，齐王韩信的援兵赶到，与刘邦会师。同时受刘邦册封为王的梁王彭越、淮南王英布也各率大军前来助战。刘邦的军队三十多万兵马浩浩荡荡直逼项羽大营。
项羽因军粮已断，不敢恋战，避开汉军主力，依次往东退兵。
项羽兵至垓下（今安徽境内），忽听得后面战鼓声、呐喊声惊天动地。他策马登高一望，不由地吃了一惊，只见汉军铺天盖地席卷而来。
项羽仰天长叹：“当年在鸿门悔不该不听范增谏言杀了刘邦，围困荥阳时不该麻痹大意让刘邦逃走。多少次机会因为自己太自负没有除掉死敌，果真养虎为患，让刘邦有了今日的嚣张气焰！”
项羽率领帐下十万将士在垓下扎住营盘，准备殊死一搏。
刘邦把楚军围在垓下，他看看手下众将，除了韩信没有谁能够担当剿灭楚军的重任，只好忍住心中怨气，重新用韩信做大将，指挥全军作战。
韩信深知项羽骁勇无敌，不能硬拼，他把各军分作十队，十面埋伏，各派将领统率。请汉王守住大营，他亲自带领三万兵马去向项羽挑战。
项羽失去范增，只靠匹夫之勇，不善计谋。听到汉军攻营，立即飞马挥槊迎敌，十万楚军一齐随项羽杀出。
两军交锋，项羽匹马当先，一时杀红了眼。韩信且战且走，引诱项羽进入汉军埋伏的山地。
韩信传令鸣放号炮，十面埋伏一齐杀出，把楚军重重包围。
项羽率部众层层冲杀，手下将士死伤半数，项羽自己也觉精疲力竭，他猛喝一声，抖擞精神，艰难杀开一条血路，驰回垓下大营，清点将士，仅剩了三万残兵。
项羽叹道：“败了，这回败了！”
项羽有一个宠姬虞氏，美丽贤慧，此时正在营中，见项羽面容疲惫，神色仓皇，落魄模样十分罕见，深感震惊，就劝慰说：“胜负乃兵家常事，大王不必忧劳。”说罢献上热茶，自己持剑起舞，以使项羽暂忘愁怀。
项羽劳顿睡下，虞姬守候床前。
夜色已深，军帐外寒风瑟瑟，项羽恍惚看见他活埋的二十万秦朝降兵蜂拥而来，争相撕扯啃食他；又看见他下令焚烧的三百里阿旁宫火光冲天，烈焰直灼胸膛；又见被他暗杀的楚义帝愤怒地指着他问：背义弑君之人，朕来向你讨债！项羽吓地从床上惊起，身上尽是冷汗。
虞姬过来安慰，忽然间二人听见楚军大营外歌声四起，汉军四面传唱楚歌，歌云：人心都思乡，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头！项羽部下将士听了楚歌都怀念故土，偷偷散去，就连项羽的心腹大将钟离昧、季布等人也都走了。一夜间，项羽的三万残兵只剩下八百人。
项羽大惊：“汉军已尽得了楚地么？为何汉营中有这么多楚人？”
身旁的虞姬伏在项羽膝头哭成一个泪人。
项羽拔剑长叹：“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！”项羽平生最爱乌骓马和虞姬，今夜被围已知不能拯救，禁不住悲歌呜咽。
虞姬是项羽知音，随即唱和：“汉兵已略地，四面楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生！”吟罢拔剑自刎了。
项羽眼含热泪，在帐边挖地成坑，掩埋了忠贞的爱姬。
虞姬之墓，在今天的安徽省定远县南六十里处，称为香冢。后来的唐朝文人因虞姬贞节感人，把“虞美人”作为词牌名，谱曲作歌，千古传诵。
项羽埋葬了虞姬，骑上乌骓马，率八百亲兵悄悄出营，趁天色未明急急突围。
韩信得知项羽要逃，命令将军灌婴率领五千精兵紧追不舍。
项羽一路逃至乌江边上，竟只剩下孤身一人，恰有乌江亭长泊船岸旁。亭长对项羽说：“请大王赶紧上船，我载大王过江。江东虽小，地方也有千里，大王重新招募兵士，仍旧可以复仇称霸。现在乌江西岸唯有我一只小船，请项王急渡！”
项羽勉强笑笑说：“天意亡我，不必再渡！当初江东八千子弟随我西征，现无一生还，即使江东父老可怜我，再让我称王，可我觉得已无颜与他们相见！”
亭长苦劝，项羽不听。乌江亭长只好叹息着摇船远去。
汉军霎时追来，见只剩项羽一人伫立江边，便蜂拥而上，争抢头功。项羽双眼喷血，把铁槊掷向汉将，手持短刀，奋力再战，又砍死砍伤汉兵百名，自己却也受伤十几处。汉军又有数百铁骑增援，项羽自知难敌，长叹一声，就拔剑自刎了，终年三十一岁。刘邦既已灭掉项羽，为消解项羽友邦的仇视，顺应当地民意，把项羽葬在谷城西边（今山东境内），砌筑坟墓，供人祭念。谷城有一个项王墓，而在今天的乌江浦，即项羽自刎的地方，位于安徽省和县东北，也有一处祭祠，号西楚霸王庙。
公元前202年，项羽乌江自刎，他所辖的楚地皆向刘邦请降，刘邦一律礼待降者，对于项氏宗亲也一概赦免。其他各路亲楚的诸侯都趋炎附势献城纳贡，奉书称贺。至此，将近三年的反秦战争和持续四年的楚汉战争结束，华夏重新实现统一。笑到最后的不是占尽优势勇力无敌的西楚霸王项羽，而是多败少胜却善于用人的汉王刘邦。
刘邦夺了天下的这一年年底，已登基成为汉皇的刘邦又添喜事，他的妃子薄氏诞下一子，取名刘恒。因为刘邦此前已有三个儿子刘肥、刘盈、刘如意，所以他并没有过于兴奋。但就是这个刘恒，长大后逢机遇加自身能力，成为英明仁孝留千古芳名的汉文帝。
