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。