公元前205年5月，刘邦乘吉翔无法出齐国之机，率领56万诸侯联军攻占了西楚都城彭城。短暂的胜利就是刘邦失去理智，天天和诸侯喝酒庆祝。项羽听了，带着三万骠骑兵赶回彭城。联军猝不及防，杀敌十万，溺死十万。刘邦只带领数十骑逃走，以韩为首的反楚联盟瓦解。
同年六月，刘邦领兵回荥阳，一路收编败兵，派韩信在萧索之间击溃楚的追兵。他得以喘口气，稳住阵脚，于是重新组织军队，依托关中基地和有利地形与项羽长期作战。7月，一直负隅顽抗的张寒终于自杀，刘邦彻底解除了后顾之忧。并在逃往荥阳之前，派人劝说英布反楚，并联系彭越扰乱楚后方；派韩信开辟北方战场，攻保，破代，灭赵，杀。公元前205年冬，项羽发动反攻，围攻荥阳。形势非常危急。刘邦和陈平合谋陷害，使项羽怀疑范增，一气之下逼范增回国。刘邦还派纪信冒充自己投奔楚军，趁机逃出荥阳。吉翔加强了对荥阳的包围，并占领了高程。
为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛(今南阳)、邺(今邺县南)，诱南下。为配合汉军的行动，韩信还率军到黄河北岸支援荥阳。彭越攻打下邳(今江苏邳州南部)。被迫率军救援，刘趁机收复。公元前204年7月，吉翔大举进攻，拿下荥阳，随后又拿下高程。
与此同时，刘邦命令汉军在珙县坚守，阻挡楚军前进。同时命令韩信组建新军，派人深入楚国腹地，协助彭越进攻绥阳县、外黄县(今民权县)等地，迫使项羽再次救援。公元前204年11月，刘邦再次收复高程(今荥阳习水镇西北)，杀了项羽的大将曹禺。
吉翔打败彭越后，找不到汉军主力，安禄山光武(今荥阳北)与刘邦对峙。不久，韩信在渭水之战中歼灭了齐楚联军，完成了对楚侧翼的战略迂回，派关英率军前往彭城。吉翔腹背受敌，兵荒马乱，于是与汉结盟，以海湾分天下，东归楚，西归汉。公元前203年10月，吉翔率领他的部队向东进发。
楚汉结盟后，刘邦本想退兵，在和的提醒下，下令全力追击楚军。公元前203年11月，两军在牯岭(今淮阳西北)交战，项羽小胜。公元前202年1月，刘邦战胜了韩信、彭越、黥布等。通过奖励他们，他在接下来的战斗中打败了楚军。
公元前202年1月，刘邦、韩信、刘嘉、、英布等约70万汉军。在垓下(今安徽灵璧县南)与久战疲惫的十万楚军决战。韩信引汉军居中，孔为左翼将军，陈赫为右翼将军，刘邦领兵跟进，周波为将军。
韩信侵攻，采用诱敌深入的战术。前军先诈，信领兵后撤，命左右翼军包抄，攻楚军后步。汉军在楚军疲惫之后，与项羽前军的骑士将楚的后军一分为二。韩信于是指挥全军反击。楚军大败，阵亡4万余人，被俘2万，被散2万。只有不到两万伤兵随项羽回阵。
楚军退入屏障后，被汉军包围。楚士兵都筋疲力尽了。韩信命令汉军士兵晚上唱楚歌，说: 人心在楚，天下归刘；韩信，拿着纸条，去砍霸王的头！ 。
导致楚军将士想家厌战，士气崩溃。项羽只率领八百人突围到乌江(今安徽省和县)。此时项羽身边只剩下28名骑手。有个亭长愿意带项羽去江东重振霸业，被项羽拒绝了。项羽率28军与汉军交战，最后全军覆没。项羽不愿被俘受辱，死于乌江。
于是刘邦到了定陶，快马加鞭地进了韩信的军队，夺取了他的兵权，后来改称韩信为楚王，到了邳州(今江苏邳州东)。
