齐王韩信亲率齐军从齐地南下，占领楚都彭城和今天苏北、皖北、豫东等广大地区，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，于刘邦本部军共同逼楚军后退；汉将刘贾率军数万会同九江王英布、合兵十万，自淮北出发，从西南方发动对楚地的进攻，先克寿春，再攻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却在此时叛楚，先屠灭六县，再与英布、刘贾会师，随后北上合击项羽；同时，得到关中兵丁补充的刘邦则率本部军二十万出固陵东进；
汉军五路大军、合计近六十万之众，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后撤。
楚霸王四年十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等五路大军于垓下（今安徽灵璧东南，一说今河南淮阳、鹿邑间）基本完成了对10万楚军的合围。刘邦立刻任命韩信为联军统帅，指挥大军作战。韩信命刘贾、英布军自南将楚军外围出路全部封闭，命彭越军自北封闭通路，韩信军三十万于刘邦本部军主力则合成一股，向困守垓下的十万楚军发起进攻，展开决战！
韩信率主力大军四十余万，排出了这样一个阵形：韩信亲率三十万大军居中，为前锋主力；将军孔熙率军数万为左翼；陈贺率军数万为右翼；刘邦率本部主力尾随韩信军跟进，将军周勃率军断后。而项羽方面，对于楚军而言，如今的情况即不能守、也不能退。后勤断绝、无粮而守，无异于坐以待毙，等死！
就这样，战斗打响了。首先，韩信率五阵大军先行向楚军发动挑衅性进攻。项羽立刻率十万楚军发动中央突破作战，矛头直指韩信本部。项羽亲自率军出击，冲锋在前，楚军以骑兵在前、步兵在后随其冲锋。汉军接战，汉军出于下风。韩信立刻命令大军后撤，以三十万大军为屏障掩护指挥部和刘邦的十万人马向后退去。汉军且战且退，楚军则是继续孤注一掷的疯狂突击，项羽本人更加是一马当先，冲锋速度之快甚至将十万楚军将士统统甩在了后面，连楚军骑兵都没有一人能赶上。一路上，汉军如乌云一般层层叠叠，一眼望去，满山遍野。项羽率十万将士猛打猛攻，连破汉军数道防线，直杀向韩信本人。
而另一方面，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夹击，其意思便是为了节制楚军进攻侧翼、分离楚军骑兵步兵之间的配合、迁制楚军进攻。
经过半日厮杀，项羽依然没能突入汉军指挥部，韩信始终不断的向后退却，始终没有出现在项羽面前。而项羽过于猛烈的冲锋，却明显拉开了军队前后的距离。当时的楚军，项羽本人脱离全军冲锋在前、冲开敌军一道道兵列线；后面是速度较快的主力骑兵急赶项羽、并将被项羽本人打开缺口的汉军散兵一一冲散踏过；而最后面的是速度最慢的步兵部队，他们与未被骑兵踩死的汉兵一边厮杀一边继续追赶骑兵。楚军队形越来越散、越拉越长，已经渐渐失去了紧密的队形和互相之间的配合。
战至下午，汉军中军一退再退，左右两军迂回急进，终于完成了前后夹击之势。汉军左右军随之投入了对楚军后方侧翼的进攻，以紧密的阵形两面压来，迅速合围了落在后面的楚军步兵。楚军将士殊死抵抗，两军官兵绞斗在一起，立刻陷入交战状态，将楚军步兵、骑兵一分两半，楚军攻势随之被迁制。项羽不得已，只好率残存骑兵回师而去、救援步兵。
当得知左右军完成迂回并发动了对楚军后方步兵的进攻之时，韩信随即组织反击，并将刘邦主力以及所剩的全部中军投入反冲击。
汉军向项羽和楚军前锋骑兵反扑而来。数十万汉军向楚军发起了前后夹击。项羽见势不妙，立刻率全军向反方向突围，冲开汉左右军的包围，退回营中。此战，楚军伤亡4万余。随后，韩信率领全军收拢此前被楚军冲散的部队全数压上，彻底包围了楚军大营至此垓下决战到此结束。
项羽战败回营，汉军围困数重，到了晚上，闻汉军四面大营皆有楚歌声，项羽大惊：“难道汉军已占了楚地么？为何楚人这么多呢？”满怀愁绪之下，他起身在帐中饮酒。项羽有位很宠爱的妃子，叫虞姬，经常跟着他；有一匹骏马，名字叫乌骓，经常骑乘。酒过三巡，项羽感慨良多，作歌唱道：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”（我的力量能拔起大山啊，我的气概能压倒当世，时势不利啊，乌骓也不再飞驰，乌骓不再飞驰啊！我该拿它怎么办？虞姬啊虞姬啊，我该拿你怎么办？！）歌唱了数阕。虞姬和道：“汉兵已略地，四面楚歌声，大王意气尽，贱妾何聊生！”（汉兵已经得到了楚地，四面都是楚歌声，大王的意气已经尽了，我靠什么活在世上呢？这首诗出自《楚汉春秋》不过后人多有怀疑，认为楚汉时期不会有如此成熟的五言诗）歌罢，虞姬凄然自刎（也有人说是项羽杀死了虞姬），项羽也流下热泪，左右都不敢抬头看他，这就是历史上的“霸王别姬”（四面楚歌这个计策，成功的扰乱了项羽的心，使他做出了突围的决定）。
项羽骑上马，选了八百人，趁着夜晚突围向南，天亮后，汉军发觉项羽离去，于是灌婴率五千骑追击，等他渡过淮河，随从的骑兵只有一百多人了，来到阴陵时，项羽迷路了，他去问一个老农，老农回答：“左”往左去，陷入了一片沼泽，耽误了时间，汉军追了上来。项羽又往东去，到达东城的一座山上，只剩下了28骑，项羽自忖不能脱身了，就对骑兵们说：“我从起兵到现在已经八年，经七十余战，抵挡我的人都被我攻破，我打击的人都表示臣服，未尝败北，遂称霸天下，现在困于此，不是我不会打仗，而是天要亡我！今日是要决死战了，我要为诸君痛快地一战，必定要胜利三次，为诸君击溃包围、斩将、砍旗，让诸君知道，是天要亡我，非我不会打仗。”于是他分骑兵为四队，此时，汉军围困数重，项羽对他的骑兵们说：“我为你们杀掉对方一将！”于是他命令骑兵们分四面向山下冲，约在山东面会合。项羽大呼驰下，斩杀一汉将。赤泉侯杨喜追项羽，项羽大喝一声，杨喜的人马退后数里！项羽与骑兵分为三队，汉军不知项羽在哪队，就也分三队包围。项羽飞驰而出，又斩杀一汉将，同时杀近百人，再会合骑兵，仅损失两骑，项羽问：“怎么样？”骑兵们跪倒回答：“和大王说的一样”。
项羽在东城的战斗，重新鼓起他生存的希望，于是他想东渡乌江（乌江在今安徽南部和县乌江镇），乌江的亭长停船岸边，对项羽说：“江东虽小，方圆也有千里，百姓数十万，也足以称王。现在仅臣有船，愿大王尽快渡江，若汉军追来，则无法走脱。”项羽听到这话，才知道西楚并没有失陷，巨大的内疚和对过去杀戮的忏悔之心，还有为了捍卫“霸王”的荣誉，他最终选择了战死沙场，而非过江，于是他说：“苍天要亡我，我为什么要渡江呢？想当年我与江东八千子弟渡江向西，今无一人生还，纵然江东父老可怜我而尊我为王，难道我就不觉得愧疚么？”想到此，他对亭长说：“我知道您是长者，我骑这马五年了，所当无敌，曾一日行千里，我不忍杀它，现在赐给您”。于是他命令骑兵全部下马以剑迎敌，最后仅项羽一人就杀了数百人，自己也负伤十余处。这时，他看到汉军中有他过去的部下吕马童，就对他说：“你不是我的故人么？”吕马童一看，马上对汉将王翳说：“这是项王！”项羽说：“听闻汉王悬赏千金，封邑万户要我首级，今日我便为你们做件好事吧！”于是项羽自刎而死，时年30岁。项羽死后，王翳取了他的首级，其余汉军为了争夺项羽的遗体，自相残杀，死数十人，最后五个汉将分了项羽的遗体，都被封侯。至此，汉王刘邦统一天下的脚步再也无人能够阻挡，而一代西楚霸王，也在此结束了他辉煌壮烈的一生！项羽在战场上的无往不利相对的却是政治上的幼稚，甚至是愚蠢，无知人之明。坑杀战俘，放弃关中，怀念楚国，放逐义帝，自立为王却失尽人心。更为突出的表现是在用人方面。刘邦手下萧何、张良、韩信、彭越、英布出身各不相同却可以尽发挥其所长，而项羽却连一个范增都不能用，项羽与刘邦形成了鲜明的对比。后来三国时代的东吴被灭也从侧面说明当天下大定只剩江东的时候，江东是无法抵挡的。按河南大学王立群先生的话讲“项羽是一个非常可用之人，却坐在了用人之人的位置上”这就是项羽的悲哀。兵上天才，政治蠢材。
但政治上的失败，无法遮掩项羽在军事上的才华。22岁起兵反秦，27岁成为分封十八路诸侯的西楚霸王，三十岁自刎乌江。他是一位当之无愧的英雄豪杰。
在中国历史上，有无数的英雄人物。但如项羽这样铁血柔情的汉子却很少。万军包围，四面楚歌也打不倒这个铁骨铮铮的汉子。战场上的纵横吟啸，面对伊人却柔情刻骨，像项羽这样的英雄，当之无愧的受后人敬仰。
