这半年多以来，项羽寻求决战不得，平叛又疲于奔命，多少有点吃不消了，就提出愿和刘邦单挑以决胜负。刘邦笑着数落项羽的十大罪状：“一，封我做汉王，背弃了‘先入关中者王之’的前约；二，矫诏杀死卿子冠军（指宋义）；三，救赵以后不回报国君，却裹胁诸侯兵杀入关中；四，烧毁秦的宫殿，挖掘秦始皇陵墓，所得财物全部私吞；五，杀死秦降王子婴；六，在新安坑杀秦国降卒20万；七，封给诸将富庶的领地，而驱逐他们的故主；八，赶走义帝，自己霸占彭城，还夺取韩、梁等国的封地；九，派人暗杀义帝于江南；十，政令不公，不讲信义，大逆不道，天下所不容。”末了还说：“我以天下的大义，联合诸侯来讨伐你。你最终一定会死在小兵手里的，我为何要和你单挑？”
项羽闻言大怒，命令弓弩齐发，结果一箭正中刘邦胸口。刘邦恐怕动摇了军心，假装低头摸摸脚趾，喊道：“啊呀，被贼人射中脚趾了。”然后率兵从容退守。彭城大战的时候，项羽捉获了刘邦的父亲刘太公和吕雉。广武对峙，他绑起刘太公来要挟刘邦，说：“你不出来，我就烹了刘太公。”刘邦回答说：“我与你都曾是义帝的臣子，约为兄弟，我父亲就是你父亲，你如果想要烹了自己的父亲，请分我一杯羹吧。”
此番言语，突显了刘邦的流氓嘴脸，然而天下无敌的项羽，偏偏就对这个流氓毫无办法。项羽无计可施，于汉王四年（前203）九月放回刘太公、吕雉等人质，和刘邦和谈，约定双方以鸿沟（在荥阳东南）为界，以东属楚，以西属汉。高祖五年（前202）十月，和约达成，项羽回师东向。刘邦在张良、陈平的劝说下，突然发兵从后追击，杀至固陵（今河南淮扬西北），但因为韩信、彭越没来会合，遭到了项羽的反击，再次大败。
韩信在攻克齐地后，考虑到此前刘邦在修武曾夺取他的士兵，就要求刘邦封其为假齐王。当时刘邦正在荥阳苦守，闻言大怒，却被张良、陈平暗踹其脚，提醒他不能在此紧要关头失去了有力的盟军。于是刘邦马上转怒为喜，回答说：“大丈夫称王就称真的，当什么假王呀。”于是封韩信为齐王。但固陵之战，韩信和彭越又没来救援，刘邦只好虚与委蛇，答应破楚以后，把从陈县以东直到海滨的土地都封给韩信，把睢阳以北直到榖城的土地都封给彭越。十二月，韩信、彭越及英布、周殷等各路兵马齐集，把项羽团团包围在垓下（今安徽灵壁东南）。
刘邦让士兵们全都学习楚歌，整晚不停地吟唱。项羽听了大惊失色，以为楚地已尽被占领。他慷慨悲歌道：“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！”高歌数遍。虞姬唱和，“汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生。”随后自杀。项羽含泪告别心爱的虞姬，骑上乌骓马，率精锐800人奋战突围而出。等到渡过淮河，部下只剩了百余人。
项羽最终逃至乌江（今安徽和县东北）边，从者仅28骑。乌江亭长驶一叶小舟前来接他，劝项羽说：“江东虽小，足可称王。”项羽慨叹道：“天要灭亡我，还回去干什么呢？我当年率8 000江东子弟西渡，今天却没有一个能跟我回去。就算江东父老可怜我，仍以我为王，我还有什么脸面去见他们呢？”于是他把乌骓马送给乌江亭长，自己奋勇迎战追来的汉军，又杀百余人，最终力尽自刎而死。楚汉战争就此结束，西楚灭亡。
高祖五年（前202）正月，诸侯共举刘邦为皇帝，定都洛阳，西汉建立。几年后，一次刘邦大宴群臣，趁着酒兴对已被尊为太上皇的刘太公说：“您原来常骂我无赖，不能置办产业，不如哥哥们，现在您看我这份产业，和哥哥们比谁多啊？”群臣高呼万岁，刘邦仰天大笑，得意洋洋的流氓嘴脸，显露无遗。
