范增的死，给了西楚霸王项羽致命的一击。从此，项羽如同一只失去眼睛的蛮熊，瞎打乱窜，一路溃败。
彭越夺取大梁城的同时，韩信南下顺利占领了楚都彭城。大秦二十年，即公元前二零二年十一月，楚军四面受敌，项羽在韩地争夺中失利，被迫带着尚存的十万楚军向垓下（今安徽灵璧东南沱河北岸）退兵。
同年十二月，韩信、彭越、英布与子婴会师垓下，合计五十万大军，将打算继续向江南撤退的项羽层层包围。子婴传始皇帝旨意，任命韩信为统帅，由韩信——始皇帝眼里的军事天才，统一指挥各路大军，对楚军展开战略决战。始皇帝还允诺如果韩信成功平定楚国，将改封他为楚王，让他荣归故里。
韩信迅速判明形势：一、西楚国位于长江以北的全部土地均已失陷，十万楚军成为绝对的孤军；二、楚军从荥阳前线后撤以来，根本无法得到补给，缺粮已有数月，到现在十二月的大冬天，绝大部分士兵还穿着夏秋装，可谓饥寒交迫；三、秦军联兵约五十万，数量上远胜楚军，且精力饱满、粮食充足、士气旺盛，而项羽孤军十万，连续久战疲惫，士气溃散；四、秦军四路大军步步为营，层层包围，合围之势已形成，彻底切断楚军退路，楚军难以发动突然性的反攻；五，楚军离江东五郡距离遥远，即使冲破包围圈，在秦军的穷追猛打下，也几乎无法有效突围，回到江南。
若是久拖不决，怕是给项羽机会。以优势兵力主动进攻，速战速决，不给项羽撤退的时间，阻止他退回江东后东山再起才是关键。在判明形势后，韩信作出了完全不同于以往的战术部署，决定统领三军绝对优势兵力，对垓下楚军正面发动强攻。
当时的三军，与现代意义的海、路、空三军相去甚远。冷兵器时代的大规模作战主要特点是以品字形展开攻势，通常将大军分为中军、左军、右军，或者中军、上军、下军，在行军作战中大致处于品字的不同方位，担负不同的作战任务，与兵种没有丝毫的关系。中军一般是主将统率的军队，是整个进攻的主力。左军、右军主要负责两翼的进攻，以及对中军的掩护和警戒任务。
韩信任英布为右军将军，命其自南将楚军外围出路全部封死，从右翼对楚军进行迂回包抄；任彭越为左军将军，命其自北封死通路，从左翼进行迂回机动；子婴坐镇后方，周勃率十万大军断后；他亲率中军主力，排出五个连阵，向困守垓下的十万楚军发起进攻，展开决战。
项羽无路可退，无粮而守，只能孤注一掷，做困兽之斗。他立刻率十万楚军发动中央突破作战，矛头直指韩信本部，希望能够一击致命，令秦军不战而溃散，再现巨鹿之战的奇迹。
项羽一如既往，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。一路上，秦军如乌云一般层层叠叠，一望无际，满山遍野。项羽疯狂突击，遇将斩将，遇兵杀兵，一路高歌猛进。在他的带动下，楚军将士人人奋不顾身，浴血厮杀，冲破秦军的层层防线。
秦军前阵立刻被击溃。韩信随即命令大军后撤，秦军且战且退，以三十万主力为屏障掩护指挥部和子婴的十万人马安全撤退。
“兄弟们，跟我杀啊！”楚军继续孤注一掷的疯狂突击，项羽更加是一马当先，将包括骑兵在内的十万楚军将士远远甩在了脑后。
项羽冲锋在前，不顾一切的冲开一道道缺口。紧随其后的主力骑兵又将被撕开缺口的秦军战阵一一冲破，而在最后的步兵将士则一边撕杀被冲散的秦军士兵，一边追赶前方骑兵。十万楚军将士猛打猛攻，势不可挡，连破汉军数道防线，直杀向韩信本部。
经过半天暗无天日的撕杀，楚军破阵无数，韩信的前军几乎溃不成军，三十万秦军主力溃散近半。即便如此，由于韩信冷静应对，及时向后退却，项羽始终没能追上韩信本部，突入秦军指挥部。
与此同时，彭越、英布所率的左右两军正自楚军左右两侧快速迂回机动。项羽过于猛烈的冲锋，远远拉开了队伍前后的距离，使楚军队形越来越散、越拉越长，渐渐失去了紧密的队形，骑兵与步兵完全分离，无法进行互相配合，更为严重的是将最为薄弱的步兵完全暴露在彭越、英布左右两军的面前。
杀红了眼的项羽完全没有意识到危险正一步步逼近，依然猛冲猛进。韩信中军主力一退再退，但依然坚持阻挡在楚军面前。两军战至寅时（下午三时至五时），彭越、英布的左右两军已迂回急进，完成了对楚军的前后夹击包围。
左右两军随即投入对楚军后方侧翼的进攻，以紧密的阵形压了上去，迅速合围了落在后方的楚军步兵，像一条被斩断头尾的蟒蛇一样，楚军步兵、骑兵被一分为二，楚军的凌厉攻势不得不随之停了下来。
楚军步兵将士殊死抵抗，两军马上绞斗起来，杀得昏天暗地，血流成河。得知左右两军已对楚军侧翼发动进攻，韩信随即组织中军主力反守为攻，又补充周勃的十万人马，对项羽和楚军前锋骑兵进行反扑。
数十万秦军向楚军发起了前后夹击。项羽见势不妙，只好率残存骑兵回师救援步兵，又率全军反向拼死突围，冲开左右两军的围困，退回垓下营中。随后，韩信收拢被楚军冲散的部队，彻底包围了楚军大营。
至此，垓下决战胜负已定。经此一战，楚军阵亡四万，被俘两万，仅剩不到四万伤兵随项羽退回营中，秦军虽然伤亡多达十数万，付出了远高于楚军的代价，却使楚军元气大伤，取得了战争的主动权。
