其中还有一场关键之战，楚汉两军在垓下进行了一场战略决战——垓下之战。这意味着，历史上著名的楚汉之争终要落下帷幕。
战争开始前，汉王刘邦立英布为淮南王，这是汉王继韩王信，赵王耳，齐王信后，封的第四位王，目的当然是团结一切力量对付项羽。
燕王臧荼派出骑兵南下，助汉攻楚。同时，彭越拥兵梁地，断绝楚军粮道；齐王韩信又接连发兵击楚，其先锋灌婴之军甚至已攻入淮北，多次击败淮北楚军。
项羽虽四面受敌，但汉军也有自己的问题。刘邦因为没能调来韩信、彭越等人的军队，无法对楚军进行最后的合围。于是，双方进行了历史上著名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。汉楚约定双方各自退兵。
项羽率十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。而刘邦也打算
项羽虽四面受敌，但汉军也有自己的问题。刘邦因为没能调来韩信、彭越等人的军队，无法对楚军进行最后的合围。于是，双方进行了历史上著名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。
汉楚约定双方各自退兵。项羽率十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。而刘邦也打算西返。
正当此时，张良、陈平却建议刘邦撕毁鸿沟和议，趁楚军疲师东返的时机，从其背后发动偷袭。张、陈二人认为：“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。
刘邦采纳了二人的建议，违背和议，向楚军突然发起战略追击作战。
当汉军追至夏南时，刘邦再次约集韩信、彭越南下，共同合围楚军。这次，韩信及彭越依然未出兵合击楚军，结果刘邦在固陵被项羽打败。刘邦慌忙率军退入陈下，并筑起堡垒坚守不出，使得楚军合围了刘邦。
坚守壁垒的刘邦，在与张良商议后，决定将陈以东直到大海的大片领土封给齐王韩信；睢阳以北至谷城封给彭越。
就这样，韩信、彭越二人挥军南下，同时刘贾率军联合英布自淮地北上，五路大军共同发动了对项羽的最后合围。垓下之战随之开始。
此时，深感四处受敌的项羽带兵从固陵撤出，打算退回彭城。然而，彭城早被灌婴攻下，西楚群臣皆被俘虏。
项羽无奈，只好继续南撤，打算去舒城找主持南方军政的楚国大司马周殷。项羽的计划是，凭借淮河之险与巢湖之粮，与汉军继续周旋。但就在此时，项羽得知了一个让他几乎绝望的消息。
此时，淮南王英布已经遣将进入九江地区，诱降了守将、楚大司马周殷，随后合军北上进攻城父。楚国三大司马的骨鲠之臣周殷的投降意味着他们南撤的退路已被截断，同时，刘邦已由固陵东进，形势对楚极为不利，无奈之下，项羽被迫向东南撤退。当项羽退至垓下时，楚军尚有约十万人。
而韩信、彭越、英布等会合刘邦后，各路汉军总共六十余万。十二月，汉军在垓下将向江南撤退的十万楚军层层包围。