漢五年（公元前202年）漢軍集團：劉邦（4萬兵馬）、韓信（30萬兵馬）、彭越（6萬兵馬）、英布（3萬兵馬）等各路漢軍約計40餘萬人與項羽的10萬楚軍於垓下展開決戰。漢軍以韓信（10萬兵馬）率軍居中，將軍孔熙（10萬兵馬）為左翼、陳賀（10萬兵馬）為右翼，劉邦率部跟進，將軍周勃（4萬兵馬）斷後。楚軍集團：龍且的3萬前鋒軍，季布、召平、虞子期共計4萬右路軍，項羽帶領的3萬近衛騎兵迎戰。
項羽與劉邦訂立和約後，立即率軍東歸。
漢王也想撤兵西歸，張良、陳平勸他說：「漢已據天下的大半，諸侯又都歸附於漢。而楚軍已兵疲糧盡，這正是上天亡楚之時。不如索性趁此機會把它消滅。如果現在放走項羽而不打他，這就是所謂的『養虎給自己留下禍患』。」漢王聽從了他們的建議。漢五年（前202），漢王追趕項王到陽夏南邊，讓部隊駐紮下來，並和淮陰侯韓信、建成侯彭越約好日期會合，共同攻打楚軍。漢軍到達固陵，而韓信、彭越的部隊沒有來會合。楚軍攻打漢軍，把漢軍打得大敗。漢王又逃回營壘，掘深壕溝堅守。漢王問張良道：「諸侯不遵守約定，怎麼辦？」張良回答說：「楚軍快被打垮了，韓信和彭越還沒有得到分封的地盤，所以，他們不來是很自然的。君王如果能和他們共分天下，就可以讓他們立刻前來。如果不能，形勢就難以預料了。君王如果把從陳縣以東到海濱一帶地方都給韓信，把睢陽以北到谷城的地方給彭越；使他們各自為自己而戰，楚軍就容易打敗了。」漢王說：「好。」於是派出使者告訴韓信、彭越說：「你們跟漢王合力擊楚，打敗楚軍之後，從陳縣往東至海濱一帶地方給齊王，睢陽以北至谷城的地方給彭相國。」使者到達之後，韓信、彭越都說：「我們今天就帶兵出發。」於是韓信從齊國起行，劉賈的部隊從壽春和他同時進發，屠戮了城父，到達垓下。大司馬周殷叛離楚王，以舒縣的兵力屠戮了六縣，發動九江兵力，隨同劉賈、彭越一起會師在垓下，逼向項王。
四面楚歌
項王的部隊在垓下修築了營壘，兵少糧盡，漢軍及諸侯兵把他團團包圍了好幾層。深夜，聽到漢軍在四面唱著楚地的歌，項王大為吃驚，說：「難道漢已經完全取得了楚地？怎麼楚國人這麼多呢？」
霸王別姬
項王連夜起來，在帳中飲酒。有美人名虞，一直受寵跟在項王身邊；有駿馬名騅（zhuī，追），項王一直騎著。這時候，項王不禁慷慨悲歌，自己作詩吟唱道：「力量能拔山啊，英雄氣概舉世無雙，時運不濟呀騅馬不再往前闖！騅馬不往前闖啊可怎麼辦，虞姬呀虞姬，怎麼安排你呀才妥善？」項王唱了幾遍，美人虞姬在一旁應和。項王眼淚一道道流下來，左右侍者也都跟著落淚，沒有一個人能抬起頭來看他。
突出重圍
於是項王騎上馬，部下壯士八百多人騎馬跟在後面，趁夜逃出漢軍包圍，向南衝出，飛馳而逃。天快亮的時候，漢軍才發覺，命令騎將灌嬰帶領五千騎兵去追趕。項王渡過淮河，部下壯士能跟上的只剩下一百多人了。項王到達陰陵，迷了路，去問一個農夫，農夫騙他說：「向左邊走。」項王帶人向左，陷進了大沼澤地中。因此，漢兵追上了他們。項王又帶著騎兵向東，到達東城，這時就只剩下二十八人。漢軍騎兵追趕上來的有幾千人。項王自己估計不能逃脫了，對他的騎兵說：「我帶兵起義至今已經八年，親自打了七十多仗，我所抵擋的敵人都被打垮，我所攻擊的敵人無不降服，從來沒有失敗過，因而能夠稱霸，據有天下。可是如今終於被困在這裡，這是上天要滅亡我，決不是作戰的過錯。今天肯定得決心戰死了，我願意給諸位打個痛痛快快的仗，一定勝它三回，給諸位衝破重圍，斬殺漢將，砍倒軍旗，讓諸位知道的確是上天要滅亡我，決不是作戰的過錯。」於是把騎兵分成四隊，面朝四個方向。漢軍把他們包圍起幾層。項王對騎兵們說：「我來給你們拿下一員漢將！」命令四面騎士驅馬飛奔而下，約定衝到山的東邊，分作三處集合。於是項王高聲呼喊著衝了下去，漢軍像草木隨風倒伏一樣潰敗了，項王殺掉了一名漢將。這時，赤泉侯楊喜為漢軍騎將，在後面追趕項王，項王瞪大眼睛呵叱他，赤泉侯連人帶馬都嚇壞了，倒退了好幾里。項王與他的騎兵在三處會合了。漢軍不知項王的去向，就把部隊分為三路，再次包圍上來。項王驅馬衝了上去，又斬了一名漢軍都尉，殺死有百八十人，聚攏騎兵，僅僅損失了兩個人。項王問騎兵們道：「怎麼樣？」騎兵們都敬服地說：「正像大王說的那樣。」
烏江自刎
這時候，項王想要向東渡過烏江。烏江亭長正停船靠岸等在那裡，對項王說：「江東雖然小，但土地縱橫各有一千里，民眾有幾十萬，也足夠稱王啦。希望大王快快渡江。現在只有我這兒有船，漢軍到了，沒法渡過去。」項王笑了笑說：「上天要滅亡我，我還渡烏江幹什麼！再說我和江東子弟八千人渡江西征，如今沒有一個人回來，縱使江東父老兄弟憐愛我讓我做王，我又有什麼臉面去見他們？縱使他們不說什麼，我項籍難道心中沒有愧嗎？」於是對亭長說：「我知道您是位忠厚長者，我騎著這匹馬征戰了五年，所向無敵，曾經日行千里，我不忍心殺掉它，把它送給您吧。」命令騎兵都下馬步行，手持短兵器與追兵交戰。光項籍一個人就殺掉漢軍幾百人。項王身上也有十幾處負傷。項王回頭看見漢軍騎司馬呂馬童，說：「你不是我的老相識嗎？」馬童這時才跟項王打了個對臉兒，於是指給王翳說：「這就是項王。」項王說：「我聽說漢王用黃金千斤，封邑萬戶懸賞徵求我的腦袋，我就把這份好處送你吧！」說完，自刎而死。王翳拿下項王的頭，其他騎兵互相踐踏爭搶項王的軀體，由於相爭而被殺死的有幾十人。最後，郎中騎將楊喜，騎司馬呂馬童，郎中呂勝、楊武各爭得一個肢體。五人到一塊把肢體拼合，正好都對。因此。把項羽的土地分成五塊；封呂馬童為中水侯，封王翳為杜衍侯，封楊喜為赤泉侯，封楊武為吳防侯，封呂勝為涅（nie，聶）陽侯。
劉邦稱霸
項王已死，楚地全都投降了漢王，只有魯縣不降服。漢王率領天下之兵想要屠戮魯城，但考慮到他們恪守禮義，為君主守節不惜一死，就拿著項王的頭給魯人看，魯地父老這才投降。當初，楚懷王封項籍為魯公，等他死後，魯國又最後投降，所以，按照魯公這一封號的禮儀把項王安葬在谷城。