當項羽聽到龍且援齊失敗被殺、全軍覆沒的消息，非常恐慌，就派了盱眙人武涉去遊說韓信叛漢聯楚，三分天下。但韓信沒有答應。武涉走後，齊國人蒯通知道當時天下的勝負取決於韓信，就假託給人看相來進行遊說；也是要他叛漢而獨立。蒯通和他談了幾天，從天下形勢的分析，談到古今君臣朋友之間只能共患難、不能共安樂的具體事例，並用了很多生動的比喻，要韓信把握時機，當機立斷。但是韓信認爲漢王對他太好了，不忍心背叛，同時，他又以爲自己的功勞大，漢王總不會奪去已封給自己的齊國，於是婉言謝絕了蒯通的建議。
公元前203年8月，漢軍在成皋等地打了幾個勝仗以後，士氣旺盛，糧食充足，而項羽的軍隊，東奔西跑，作戰頻繁，疲憊不堪，同時糧食供應斷絕。漢王抓住這個有利時機，兩次派人去遊說項羽停止敵對行動，最後，雙方終於達成和議，議定以鴻溝(在今河南中牟，即賈魯河)爲界，平分天下，鴻溝以西歸漢，鴻溝以東歸楚。於是後來人們常以鴻溝比喻界限分明。項羽將劉邦的父親和妻子送了回去，然後領兵東歸，回到彭城。
漢王也打算西歸，張良、陳平建議說：“漢已佔據大半天下，諸侯都歸服我們，現在楚軍兵疲糧盡，這是上帝要滅亡楚國的時候了，應該趁此機會把它奪取過來。如果現在放過去不打，這就是所謂‘養虎自遺患’。”漢王採納了這個建議，撕毀和約，繼續東進。
公元前202年，劉邦追擊項羽到陽夏(河南太康)南面停了下來，和韓信、彭越約定日期前來會合，併力共擊楚軍。劉邦軍到了固陵(河南淮陽西北)，韓信、彭越的部隊沒有如期到達，楚軍進行反攻，把漢軍打敗。漢王只好進入營壘，深挖壕溝，堅守自衛。形勢又處於危急狀態，漢王很着急，問張良：“諸侯們不遵從約定，現在怎麼辦呢?”漢王不瞭解他們違約的原因。彭越是公元前205年春天率領他的部隊三萬多人在外黃(河南杞縣東北)歸附漢王的，以後，一直在魏地活動，被漢王任命爲魏相國。他在魏地騷擾項羽的後方，牽制項羽的兵力，並將奪得的糧食支持劉邦。這次他接到通知去圍攻項羽，卻推託說：“魏國這塊地方還剛剛平定，對楚國還很畏懼，如果不在這裡鎮守；恐怕有變亂，所以不能前往。”韓信接到通知雖然沒有說什麼，但不聽調遣，按兵不動，這更是明顯地逞兵要挾。根據這些情況，所以張良說：“立韓信爲齊王，並不是君王你的本意，韓信自己也知道他的王位並不穩固。魏國那片地方，是彭越平定的，建立了很多功勞，當初君王你因爲魏豹是魏王的緣故，你就只任命彭越爲魏的相國。後來魏豹死了，他沒有繼承人，而且彭越自己也想稱王，而君王你又不早點確定下來，現在楚軍就要崩潰了，韓信、彭越沒有得到明確的封地，他們不來會合是很自然的。如果君王你能夠和他們共分天下，他們就一定會立刻前來。如果不能這樣做，事情的發展就難以預料了。君王你能把陳縣以東一直到海邊的地區都給韓信，把睢陽(河南商丘)以北一直到谷城(山東東阿南)的地區都給彭越，讓他們各爲自己的封地而戰，這樣，打敗楚軍是很容易的。”漢王說：“好。”於是立即派使者去告訴韓信、彭越：“合力攻擊楚軍。把楚軍打垮以後，自陳縣以東一直到海濱給予齊王，睢陽以北一直到谷城給予彭相國。”漢王的使者將命令傳達以後，韓信、彭越都說：“立刻發兵。”於是，韓信的部隊從齊國出發，彭越和劉賈（劉邦的堂兄）率領的部隊從壽春（安徽壽縣）出發，他們兩支部隊並行南二，血洗了城父（安徽毫縣東南）之後，來到垓下（安徽靈壁東南）。這時，大司馬周殷背叛楚國，以舒縣(安徽舒城縣)的兵馬攻破六縣(安徽六安)，同時發動黥布出兵，使這次大戰又增添了二路人馬。四路大軍會集到垓下，矛頭集中指向楚王項羽。
這是一場決戰。韓信率領三十萬人馬作爲主帥親自正面臨陣，孔熙將軍擔任左翼指揮，陳賀將軍擔任右翼指揮，漢王在後面督師，周勃和柴將軍率領部隊在漢王后面護衛。項羽的部隊約十萬人，也擺開了陣勢。韓信先與項羽軍交鋒，沒有取得勝利，向後退卻。孔熙和陳賀左右兩翼縱兵出擊，楚軍受挫，韓信回軍猛攻，將項羽打得大敗。項羽退入垓下的營壘堅守，但兵疲糧盡，漢王軍和各路諸侯軍把他重重包圍。夜晚，項羽在營中忽然聽到四面的漢軍都唱着楚歌，不覺大驚失色，說：“漢軍已經完全征服楚國了嗎?爲什麼楚國人這麼多呢?”從此，“四面楚歌”就成爲一個成語，比喻孤立無援、四面受敵的處境。項羽心煩意亂，不能入睡。於是半夜起身，在營帳中飲酒。有個叫虞姬的美人，項羽經常帶在身邊；有匹叫騅的駿馬，項羽經常騎着作戰。在這種淒涼、危急的情況下，面對美人和戰馬，項羽不禁感慨萬千，作歌一首，慷慨悲憤地唱道：
力拔山兮氣蓋世，
時不利兮騅不逝。
騅不逝兮可奈何，
虞兮虞兮奈若何!
項羽歌唱，美人應和。虞姬唱道：
漢兵已略地，
四方楚歌聲。
大王意氣盡，
賤妾何聊生。
兩人唱和幾遍，項羽的眼淚一行行落下。左右的人也低聲飲泣，悲痛使得人們不能擡頭仰視。
項羽獨自上馬，部下壯士騎馬跟隨的有八百多人，連夜突出重圍，向南飛奔而去。天亮，漢軍發覺，命令騎兵將領灌嬰率領五千騎兵追趕。項羽渡過淮河，騎馬跟隨的只有一百多人了。項羽到陰陵(安徽定遠西北)，迷失了方向，向一個種田人問路，那種田人欺騙他說：“向左。”項羽往左去，結果陷進了沼澤地帶，因而耽擱了趕路的時間，被漢軍趕上。
項羽又領兵向東，到了東城(安徽定遠東南)，只剩下二十八個人了，而追趕的漢軍騎兵有幾千人。項羽估計擺脫不了，對跟隨的將士們說：“我從起兵到現在八年了，身經七十餘戰，敢於阻擋我的，無不被我擊破，我所要攻擊的地方，沒有不降服的，從沒有打過敗仗，因此稱霸天下。然而今天卻被圍困在這裡，這是天要滅亡我，並非我不會打仗的過錯。今天我決心戰死，願意爲你們打一個痛快仗。我一定要三次取勝，爲各位突破重圍，斬殺敵將，砍倒敵軍的大旗，讓你們知道是天要滅亡我，並非我不會打仗。”於是，他把將士分爲四隊，面向四方，在漢軍重重包圍之中，項羽對將士們說：“我爲你們斬一員敵將。”他命令將士從四面衝下去，約定衝過山的東面分三處集合。項羽大聲呼喊着衝了過去，漢軍一見驚慌潰散，他立即斬了一員漢將。這時，赤泉侯楊喜爲騎兵將領，追了上來，項羽一見，怒眼圓睜，大聲一吼，如同巨雷，楊喜竟嚇得連人帶馬倒退了幾裡地。項羽和將士們會合在約定的三個地方。漢軍不知項羽所在，就將部隊分爲三部分，重新包圍起來。項羽騎馬奔馳，又斬了漢軍的一個都尉，殺了數十百人，再把人馬集合起來，清點人數，只喪失了兩個。於是項羽對將士們說：“怎麼樣?”將士們都佩服地回答說：“正如大王所說的。”
項羽打算向東渡過烏江(安徽和縣東北的烏江浦)，烏江亭的亭長移船靠岸在那裡等待着，他對項羽說：“江東雖小，地方上千裡，民衆數十萬，也足以稱王。希望大王趕快渡江。如今只有我這條船，漢軍來到，是沒有辦法過去的。”項羽笑着說：“天要滅亡我，我還渡江干什麼!況且我項籍與江東子弟八千人渡江向西進軍，今天沒有一人回來，即使江東父老憐憫我，同情我，奉我爲王，我又有什麼面目再見他們呢?即使他們不說，我項籍難道心裡不覺得慚愧嗎?”接着他又對亭長說：“我知道你是個忠厚長者，我騎這匹馬有五年了，所向無敵，曾經一日行走千里，我不忍心殺它，就送給你吧。”於是，他讓將士們下馬步行，持短兵器交戰。單單項羽一個人就斬殺漢軍幾百人。項羽身上也受了十多處傷。這時，他回頭看見漢軍的騎司馬呂馬童，對他說：“你不是我的老朋友嗎?”呂馬童面對項羽，指給王翳說：“這就是項王。”項羽於是說：“我聽說漢王用賜千金、封萬戶的重賞買我的頭，我送給你做個人情吧。”說罷，就自刎而死。王翳割去項羽的頭，其餘的騎兵爲了爭奪項羽的屍體，縱馬踐踏，互相殘殺，死了幾十人。爭奪的結果，郎中騎楊喜、騎司馬呂馬童、郎中呂勝和楊武各奪得一部分肢體。五個人把肢體合攏起來，都能對得上。請功的時候，漢王就把準備封賞的一萬戶分做五份，分別封呂馬童爲中水侯，王翦爲社衍侯，楊喜爲赤泉侯，楊武爲吳防侯，呂勝爲涅陽侯。
項羽死後，楚國的地方都投降了漢王，惟獨魯城(山東曲阜)不降，漢王於是帶領天下兵馬打算血洗此城。但因爲他們遵守禮義，寧爲他們的君主犧牲也不肯喪失節操，漢王於是就拿了項羽的頭給魯城人看，這樣，魯城才降。起初，楚懷王曾封項羽爲魯公，項羽死後，魯城又最後投降，因此，漢王用埋葬魯公的禮儀把項羽埋葬在谷城。漢王爲項羽發佈訃告，舉行祭奠儀式，哭了一場才離去。項羽終年三十二歲。
勇猛善戰、叱吒風雲於一時的項羽，爲什麼落得這樣一個悲慘的下場，司馬遷在《項羽本紀》的最後一段作了分析。司馬遷說：“……炫耀戰功，逞自己的聰明才智，以爲完成霸王之業，經營天下，僅憑武力就行了，結果只有五年時間就使國家滅亡，身死東城，尚不覺悟，不自責，這已經錯了，還說什麼‘天要滅亡我，並不是我不會打仗’，豈不荒謬嗎!”劉邦在洛陽南宮大擺筵席舉行慶功會的時候，也談到了雙方成敗的原因，他說：“制定周密正確的戰略計劃，保證遠近戰場都能取得勝利，這方面我比不上張良。鎮守國家，使百姓安居樂業，籌措糧草，保證前方的供給，這方面我比不上蕭何。指揮百萬大軍，戰必勝，攻必克，這方面我比不上韓信。這三個人都是出類拔萃的人才，我能用他們，所以能夠奪取天下。項羽有一個范增卻不能用，這就是他被我打敗的原因。”司馬遷和劉邦對這場戰爭勝負的分析雖然不全面，但也不無道理。
楚漢戰爭，以劉邦勝利而告結束。