汉高祖二年（前205年）至四年（203年），刘邦在“韩信分兵北举河北、对楚实施战略包围”的“以势制楚”策略基础上，整合谋臣张良的建议，利用政治、外交手段，拉拢与项羽有隙的英布和彭越，为己方平添了两支奇兵，之后又借助其二人独立统兵的能力，或袭扰楚军后方，或南下楚境进行发展，大大地减轻了成皋正面战场上汉军的压力，从而为北上的汉军韩信部争取了宝贵的时间。韩信也不负所望，接连灭代、破赵、定燕，稳固了河北的局势，并于“潍水之战”再次以少胜多，大破二十万楚齐联军，斩龙且，平定三齐，不仅消灭了楚国仅余的一支预备队，而且占领三齐之地，尽去楚国北地之屏藩，实现了“迂回楚军侧后”的战略设想。至此，汉军可直接威胁到项羽的统治中心彭城，对楚形成了既定的战略合围，扭转了“楚汉之争”的根本局势，使得战争形势日趋明朗。

四年八月，通过长达两年又四个月的拉锯战，汉军终于使得与之对峙于广武的楚军显出了疲态，楚地兵员近于枯竭，粮草辎重也已无继。而刘邦在战后分封的问题上没能与韩信、彭越等诸侯达成一致，故也没能调来韩信、彭越等人的同盟军，无法对楚军进行最后的合围。因此，楚、汉双方只得作罢，随后进行了一次战略妥协，史称“鸿沟之盟”，以战国时魏国所修建的运河鸿沟为界，重新划分天下，鸿沟以东归项羽，以西归汉王。

随后，九月，项羽率所部十万楚军绕南路、经固陵向楚地迂回撤退，刘邦也欲西返关中。然而，正当刘邦打算回军之时，谋士张良、陈平却认为，汉有天下大半，且诸侯亲附，楚兵已经疲敝乏食，正是亡楚的大好时机，断不能放虎归山，建议刘邦撕毁“鸿沟和议”，趁楚军疲师东返之机，在其背后发动偷袭，一战而定天下。刘邦认同了二人的判断，遂背盟约，向楚军突然发起战略追击。大军追至夏南时，刘邦遣使约集韩信、彭越南下，共同合围楚军。五年（前202年）十月，刘邦亲率汉军主力追击楚军至固陵（今河南太康），而韩、彭二人却没有一人出兵配合刘邦。项羽得知后，借机突然发动反击，斩杀汉军近两万余人，再次将汉军击败。刘邦被迫率军退入陈下，坚守不出。此时，张良再次进谏刘邦，劝其承诺分封自陈以东傅海与韩信，睢阳以北至谷城与彭越，利用政治手段，使二将各自为战，尽快出兵，与汉军合力灭楚。刘邦依计而行，韩、彭二人果然尽起麾下精锐南下。齐王韩信亲率大军从齐地南下，占领包括彭城在内的等广大西楚北部地区，兵锋直指楚军侧背，自东向西夹击项羽；梁王彭越率军数万从梁地出发，先南下后西进，与刘邦的汉军主力会师，共同逼迫楚军后退。与此同时，汉将刘贾率军数万会同九江王英布，自淮北出发，从西南方发动对楚地的进攻，先克寿春，再下城父，并将此城军民全部屠尽；而镇守南线的楚将大司马周殷也在此时叛楚，先屠灭六县，再与英布、刘贾会师，随后北上合击项羽；刘邦则得到萧何征募的关中兵员补充，率汉军主力二十多万出固陵东进。刘邦集团共有五路大军、合计近七十万之众，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（今安徽灵璧南，一说今河南淮阳、鹿邑间）后撤。此时的项羽已经失去了西楚国位于长江以北的全部土地，而距离江东五郡很远，即使冲破包围圈，也很难在汉军的追击下及时回到己方领土，十万楚军业已成为名副其实的孤军，加之根本没有半点补给，缺粮已达数月，军中士气十分低落。

十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等五路大军于垓下完成了对十万楚军的合围。刘邦任命韩信为全军统帅，统一指挥大军作战。韩信遂命刘贾、英布军自南将楚军外围出路全部封闭，命彭越军抑制楚军北去的通路，自己则亲率自军主力与刘邦本部军共计五十万人向困守垓下的十万楚军发起进攻，誓在此地与楚军一决雌雄！

当是时，为了防止楚军的困兽之斗，韩信将主力大军排成了一个非常厚实的“五军阵”，以抑制项羽标志性的冲锋，即韩信亲率三十万大军居中，为前锋主力；将军孔熙率军数万在韩信军左方；陈贺率军数万在韩信军右方；刘邦率本部主力尾随韩信军跟进；将军周勃率军断后。安排停当后，韩信率本部军先行向楚军发动挑衅性进攻，项羽立刻亲自率领十万楚军发动其标志性的中央突破作战，矛头直指韩信本部，试图通过凌厉的冲锋将韩信军击溃。然而，韩信只是与楚军稍作简单的接触，便立刻命令汉军后撤，避其锋芒。汉军一路依照计划、且战且退，而楚军则是继续孤注一掷的疯狂突击。由于汉军坚实的纵深和充分地准备，使得项羽的锋矢根本不能接触到韩信的指挥系统，无法像以往一样，击溃汉军，反而使得自身的阵型出现散乱，造成前后军间的脱节。另一方面，当韩信以前阵为屏障掩护刘邦军回撤退避的同时，孔熙、陈贺所率的左右两军也自楚军左右两侧进行着迂回机动，威胁楚军侧翼。韩信见时机成熟，率军发起反击，楚军大败，退入壁垒，为汉军所围。这就是著名的“十面埋伏”计，由韩信率领的先头阵势实际上是一个伪阵，用作牵制引诱敌军，目的是为了创造机会使两翼奇兵得以快速突破形成合围，可见，“五军阵”是一种以优势兵力对抗少数精锐之敌的阵法，意在合围全歼对手。

汉军成功围困项羽后，韩信接受张良的建议，命汉军士卒夜唱楚歌，积极展开心理攻势。项羽惊闻楚歌，以为楚地皆被汉军所夺；楚军士卒亦思乡厌战，军心瓦解。项羽只得率八百人突围，韩信遣骑将灌婴追之至东城，项羽见大势已去自刭而死。至此，以汉军的全胜为凶凶数岁的楚汉之争画上了句号。“垓下之战”是楚汉相争中决定性的战役和终结点，更是中国历史上具有重大意义的里程碑事件，其终结了秦末诸侯混战的局面，再次实现华夏的统一，为日后的两汉盛世奠定了基础，影响深远，名炳千秋。

是役中，汉军以“鸿沟之盟”作为缓兵之计，在时机成熟时，突然发起战略追击，积极调集援兵，多路围攻，在垓下以绝对优势兵力全歼楚军，创造了中国古代大规模追击战的成功战例。抛开人文和感情的因素不论，项羽的“垓下之败”却也是情理之中的。首先，项羽为人暴戾，在战争中制造了太多的屠城与杀降，征服一地、杀戮一方，残暴程度有过于秦庭，这也就激起了关中与山东民众的怨恨；对于自己的盟友，又凭借自身势力的强大，颐指气使，视诸侯如草芥，导致了诸侯们的阳奉阴违或公开反叛，当垓下之战时，项几乎与全天下为敌。其次，项羽自赏其能、发伐其功，事事总凭一己之力，不愿放手使用人才，自楚归汉的人才举不胜举，刘邦手下的人才除了萧何、曹参，大多来源于楚。想其在“东城快战”之时，还不忘表现自己，还在满足于下属最后的崇拜，这是多么可叹而又可悲的事情啊！其三，项羽战术超群，但缺乏战略眼光，指挥的只是一些孤立的战斗，缺乏对远景的规划和战略部署。反观刘邦集团，君主刘邦自身姿态很低，亲和民众而又善于使用人才。在政治上，其依靠萧何在关中建立了很好的政治体系，获得了基层民众的支持，多次募兵征粮，为汉军的外线作战提供了坚实的物质支持；外交上，任用陈平、郦食其，积极开展外交斡旋和谍战活动，分化项羽集团，将彭越、英布等人招致麾下，既削弱了楚国，又为自己平添了臂膀；军事上，依照“正面相持、后方袭扰、翼侧牵制、迂回发展，最终实现对楚合围”的战略设想，重用韩信、英布和彭越三人，利用英布和彭越独立统兵的能力或袭扰楚军后方，或南下楚境进行发展，大大地减轻了成皋正面战场上汉军的压力，同时令韩信北上开辟第二战场，最终形成了对楚的战略合围。期间，汉军指挥集团非常注意政治、军事、外交的联合使用，从而达到“正兵”与“奇兵”的密切配合，“主战场”与“次战场”的相互支撑，“前方”与“后方”的彼此协调，将“正面相持”、“后方袭扰”“翼侧牵制”和“迂回发展”有机地结合起来，不断调动削弱楚军，促使双方力量发生反转，最终导致了垓下之时汉军对楚军绝对优势的形成。总而言之，项羽缺乏政治头脑和用人的智慧与勇气，战场上又只是关注于局部的胜利，而忽视了其间有效的联系与布局，进行的只是一场场孤立地战斗；刘邦集团则是将军事战斗作为一种途径，以战略的高度综合政治、军事、外交等手段，与项羽进行的一次集团间的全方位竞争。军事斗争也只有到达了这个层次，才能够称作“战争”。