漢五年（前202年）十一月，鴻溝條約的墨跡還沒有干，劉邦就撕毀條約。
項羽帶著自己的兵馬東歸，日夜兼程，希望早日到達彭城，休養生息，楚軍打了這麼長時間的仗，也疲乏了。這日清早，寒風凜冽，項羽出帳，正準備上馬，突然有人來報，說是漢王改變主意，派大軍追趕過來，項羽聽了勃然大怒，大罵劉邦無賴。戰無不勝的西楚霸王項羽怎能咽下這口窩囊氣，於是傳下令去，回頭迎擊漢軍。
楚軍回家的夢想又一次破滅了，自然十分惱火，把這一股火都撒在漢軍身上，也生出一股力量。兩軍相遇，刀光劍影，乘勝追擊的漢軍並沒有佔到便宜，損失很大，於是劉邦下令退守固陵城，約好日期，等待韓信、彭越的部隊前來會合，一舉殲滅楚軍。
劉邦又一次被楚軍團團圍住，掘深壕溝堅守。這次被圍和原來不一樣，原來是自己實力不行，現在是時機未到，劉邦不急不忙，覺得一切盡在掌握之中。但是過了幾日，韓信和彭越一點動靜都沒有，漢軍出陣，一次次被楚軍打了回來。劉邦著急起來，於是找來張良。
劉邦問：「他們怎麼都不遵守約定呢，這不是把我往楚軍嘴裡推嗎？這可怎麼辦？」張良想了想說：「這是主公您的問題呀。」劉邦丈二和尚摸不著頭，張良接著說：「楚軍快被打垮了，但是韓信和彭越還沒有得到分封的地盤，所以，他們心裡肯定有些想法，不來是很自然的。大王要是能和他們共分天下，我相信他們立刻能來。如果您不肯與他們分享天下，那……形勢就難以預料了……」劉邦聽了心想有道理，看來這兩個傢伙不來是嫌分得東西太少。
在這個節骨眼上，劉邦當然不能小氣了，於是表態：「我當然願意與他們共享天下了，你快說，怎麼個分法？」張良說：「將陳縣以東到海濱一帶地方都給韓信，把睢陽以北到穀城的地方給彭越，使他們各自為自己而戰，楚軍就很容易被打敗了。」劉邦一盤算，這地盤可不小呀，但表面上還是痛快地答應說：「好，好。」於是馬上派出使者送信給韓信和彭越，明確劃分封地。
張良說得不錯，信到沒多久，韓信和彭越就帶兵出發了。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，發動九江兵力，隨同劉賈和彭越一起會師在垓下。
形勢急轉直下，十面埋伏，逼向項羽。
項羽部隊在垓下修築了營壘，兵少糧盡，慘淡經營。深夜，項羽輾轉難眠，孤燈獨坐，心中越是籌劃越覺得這一次劫數難逃了。他心中十分煩悶，一個人喝酒，驚動了睡夢中的虞姬。自從彭越不斷騷擾彭城，項羽就把寵妃虞姬帶在身邊。虞姬雖不懂行軍打仗，但是以前每次看項羽無論勝敗都是胸有成竹，這次卻和以往大不相同了。虞姬起來為項羽披衣，這時，寧靜中依稀可以聽到歌聲，兩人仔細一聽，原來是漢軍營地傳來的楚地的歌謠，項羽大驚失色：「難道漢軍已經完全佔領了楚地？怎麼漢軍營中楚國人這麼多呢？」虞姬無言以對。
項羽一下子蒼老了許多，酒杯在手中顫動。曾經幾時，破釜沉舟，以少勝多，大破章邯軍，令各路諸侯將領不敢仰視；曾經幾時，三萬精兵，將五十六萬漢兵打得落花流水，狼狽逃竄。劉邦是誰？有大丈夫的樣子嗎？這樣的人怎麼算是英雄呢？可是，我項羽就要輸給他了嗎？
項羽越想越心痛，如同被圍困在陷阱中的猛獸，滿腔悲憤與不甘。「虞姬，你以後該怎麼辦呀？」冰雪聰明的虞姬聽到項羽的話已經明白大勢已去，戰亂中一個女人能有怎樣的選擇呢？虞姬頓時淚流滿面，對項羽說：「大王不必憂心，也不必記掛我一個女子，應快快謀劃。」說著抽出一把雪亮的短劍，朝自己的脖子一抹，自刎而死。項羽來不及相救，抱起虞姬，失聲痛哭，聞聲而來的部下，無不心酸落淚。
當夜，項羽騎烏騅馬，帶領八百多騎兵，趁夜突破重圍，向南衝出，飛馳而逃。
天快亮的時候，漢軍才發覺項羽已逃，劉邦一面命令圍剿毫不知情的楚軍，一面命令灌嬰帶領五千騎兵追趕。
劉邦穩坐在軍帳里，與張良、陳平等謀臣談笑。「丞相四面楚歌的計策就是好，把項羽都逼得逃跑了……」劉邦平靜地誇獎張良，內心卻激情澎湃。多少人認為我不是項羽的對手，甚至連我自己也這樣認為，但是項羽終究敗在我手上了……
項羽渡過淮河，八百壯士能跟上的只剩下一百多人了。項羽到達陰陵迷了路，還被一個農夫騙了，陷進大沼澤中。農夫為什麼騙項羽呢？我們不得而知，總之，項羽走到了末路，天下沒有人肯幫他了。
幾千漢兵追到沼澤，項羽又帶著騎兵向東，到達東城，這時就只剩下二十八人。項羽心想這下逃脫不了了，就對他的騎兵說：「我起兵至今有八年，打過七十多仗，所向無敵，幾乎沒有失過手，所以能稱霸天下。到今天這種地步，是天要滅亡我，並不是我不會打仗！今日我必死，想讓大家跟著我痛快打一仗。」接下來，項羽為了證明「天之亡我，非戰之罪」，確定了三個戰術目標：潰圍、斬將、刈旗。他把騎兵分成四隊，各朝一個方向，旋風般沖入敵陣，殺了一個漢將，漢軍一下子就潰敗了。這時，漢軍騎將楊喜在後面追趕，項羽瞪大眼睛呵斥，楊喜連人帶馬都嚇壞了，倒退了好幾里。項羽與騎兵在三處會合了。漢軍不知項羽的去向，就把部隊分為三路，再次包圍上來。項羽驅馬衝上去，又斬了一名漢軍都尉，殺死幾十人，聚攏騎兵，僅僅損失了兩個人。項王問騎兵們：「怎麼樣？」騎兵們無不佩服得五體投地。
項羽殺出重圍，來到烏江邊上。烏江亭長停船靠岸等在那裡，對項羽說：「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。留得青山在，不怕沒柴燒，希望大王快快渡江。」出乎意料，項羽大笑，說：「上天要亡我，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，我又有什麼臉面去見他們？」接著項羽就把自己的戰馬送給了亭長，始終不肯渡過烏江。
項羽命令騎兵下馬步行，手持短兵器與追兵交戰。項羽勇猛非凡，一個人就殺掉漢軍幾十人，身上也有十幾處創傷，他在交戰中看到漢軍騎司馬呂馬童，就說：「你不是我的老相識嗎？」漢軍一片沉寂，忘記了廝殺，項羽平靜地說：「我聽說漢王用黃金千斤、封邑萬戶懸賞我的腦袋，我就把這份好禮送你吧！」說完，自刎而死。
一代梟雄走完了自己輝煌的人生。
項羽死後，楚地全都投降，只有魯縣不降。劉邦率領天下之兵本想屠戮魯城，但最後考慮到他們為君主守節不惜一死，心中佩服，就讓人拿出項羽的頭。魯縣見了終於死心，向漢降服。當初，楚懷王曾封項羽為魯公，項羽死後，魯縣又是最後投降，劉邦按照魯公封號的禮儀把項羽安葬在穀城並親自給他發喪，為自己的敵人流下了惋惜之淚。
項羽敗局已定，但是僅憑劉邦的實力還難以置其於死地。劉邦早就明白「團結就是力量」的真理，關鍵時刻當然要藉助韓信和彭越的力量。劉邦早年視金錢如糞土，成為諸侯以後照樣「視封地如糞土」，有好處，追隨者自然蜂擁而至。傳說中的垓下之圍、十面埋伏就是這樣形成的。但是民間的歷史忽略了劉邦這一戰的氣勢，卻讓「霸王別姬」的故事賺取了無數人的眼淚。