垓下兵敗
韓信的三十萬大軍到了，從北面合圍項羽。
漢五年（前202）十一月，劉邦手下的劉賈策反了西楚主管軍事的大司馬周殷（周殷的叛楚，對項羽是致命一擊），聯合九江王黥布，從南面合圍項羽；劉邦、彭越從西面合圍項羽。
漢五年（前202）十二月，各路聯軍合圍垓下。
據《史記·高祖本紀》記載：項羽被韓信、彭越、劉邦、劉賈等圍於垓下，夜聞漢軍四面都用楚聲唱歌（四面皆楚歌），項羽心中大吃一驚，以為漢軍已經佔領了西楚的大部分國土。於是，項羽起身，在帳中飲酒。
垓下之戰是項羽和韓信的對決。韓信當時統率三十萬大軍，項羽只有十萬軍隊。韓信首先進兵，然而，打得不順，向後退卻（淮陰侯將三十萬自當之。孔將軍居左，費將軍居右，皇帝在後，絳侯、柴將軍在皇帝後。項羽之卒可十萬。准陰先合，不利，卻）。韓信的左、右軍包抄上去，項羽抵擋不住，韓信又從正面殺了個回馬槍，項羽大敗（孔將軍、費將軍縱，楚兵不利。淮陰侯復乘之，大敗垓下）。
關於韓信與項羽對決該下，韓信首先接戰而後退兵，有人以為這是韓信慣用的示人以弱的謀略，有人以為項羽仍然是兇猛的困獸。但是，無論如何，韓信最終以優勢兵力擊敗了項羽。
敗在哪裡
項羽垓下之戰失敗的原因，後人頗多議論，我認為，最重要的有三點：
一是軍心渙散——四面楚歌。
戰國的楚地主要包括淮河流域和長江中下游地區。此時，黥布、劉賈，加上最終背叛項羽的大司馬周殷，西楚國在南方的土地大多已被劉邦控制。劉邦利用漢軍中的楚地士兵大唱楚歌，給項羽軍團造成了楚地盡歸漢軍所佔的假象，大大動搖了楚軍的軍心。
二是兵力懸殊——十萬疲兵面對六十萬諸侯合圍。
當時雙方兵力究竟如何呢？
漢軍這面，韓信帶了三十萬大軍；劉邦追趕項羽帶有二十萬大軍；這兩方面是五十萬。彭越軍團有多少人呢？漢二年四月劉邦打進彭城的時候，彭越當時就有三萬士兵，經過兩年多的發展，彭越軍團至少應在三萬之上。
南方戰線有兩股力量，一是黥布、劉賈的軍團，二是剛剛被收編的楚大司馬周殷的兵團。
上述幾股力量的總兵力至少應當在六十萬以上。
而此時項羽只有十萬軍隊。
三是軍糧匱乏——項羽因軍糧匱乏而不得不同意中分鴻溝，此時，項羽軍團的軍糧更加困難。