項羽領兵東返，劉邦也打算領兵回關中。張良和陳平則極力勸說劉邦趁機滅掉項羽，因為這時項羽兵不精、糧不足，萬一他回到彭城，等於是縱虎歸山。劉邦聽了，趕緊命令追擊，同時派人命韓信和彭越火速集結，合擊項羽。
公元前202年十月，劉邦追上項羽，但到了固陵時，韓信和彭越的軍隊還沒有到達。項羽向漢軍猛烈反擊，將漢軍擊潰。劉邦隻得堅守不出，問謀士張良有什麽計策。張良說：“如果能把齊地封給韓信，把越地封給彭越，那他們兩個肯定會火速進兵的。”劉邦馬上派人許諾韓信和彭越，在擊敗項羽後立即封他們為齊王和梁王。韓信和彭越很快就有了回音：立即進兵。同時，楚軍的大司馬周殷也被劉邦派人勸降，淮南王英布也領兵趕來會師。漢軍會合各路援軍共三十萬，和項羽決戰垓下(30)。
夜裏，圍困項羽的漢軍突然唱起了楚國蒼涼的歌謠，使項羽以為漢軍已占據全部楚地。走投無路的項羽在大帳中和心愛的虞姬飲酒，乘著酒慷慨而歌：“力拔山兮氣蓋世，時不利兮騅(31)不逝。騅不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”虞姬唱道：“漢兵已略地，四放楚歌聲。大王意氣盡，賤妾何聊生。”
虞姬當著項羽的麵含淚自刎，項羽擦去眼淚，躍馬率領八百騎兵趁夜突圍。第二天早晨，漢軍才發現項羽已經突圍而去，劉邦命令灌嬰率騎兵火速追擊。項羽在渡過淮河後，身邊隻剩下一百人，到達陰陵時，因為迷路走入大澤之中。從大澤出來後，項羽向東撤退，在東城被灌嬰的騎兵追上。此時項羽的隨從隻有二十八人了，他們和漢軍激戰三次，殺傷幾百個漢軍，之後項羽橫劍自刎。
就這樣，經過四年的楚漢戰爭，原本處於劣勢的劉邦因為知人善任、因勢利導，終於戰勝了“西楚霸王”項羽，建立了漢朝，定都長安，成為曆史上有名的漢高祖。