韩信深知蒯通潜逃的原因，虽然佩服蒯通的神机妙算，但是为了汉王刘邦，自己也就管不了那么多了。韩信为人慷慨大度，向来就宽厚待人。对于蒯通的劝谏，韩信虽然没有采纳，但是也是心中有数，根本就没有杀人灭口的意图。
但是，蒯通不知逃往何方，韩信却不放心了。蒯通会不会泄露他们之间的两次谈话呢？要是被刘邦知道了，没有的事情也会变得很麻烦了，所以得让蒯通作证人。韩信派人四处寻找，始终没有找到，连一点线索也没有，好像蒯通这个人从人海中消逝了。时间一久，韩信也就不再放在心上了。
在韩信停止寻找蒯通后没有多久，齐国一个小地方就来了个服装奇异的男人。他衣衫褴褛，头发散乱，任由其披在肩上。他身上散发着一股臭气，苍蝇们都嗡嗡地追赶着他，路上行人避之不及。他的举止奇怪，满口胡言乱语，声音嘶哑，也听不出是什么地方的人。最初，人们把他当作疯子。不久，大家注意到，这个人的胡言乱语有时还非常灵验。本来连续多天烈日高照，旱象已成，大家都在发愁，他却说，上天即将降雨，果然没有多久，就是一场倾盆大雨。这类事不止一次。从此，人们不再将他看作疯子，而是将他看作“神巫”。
其实，这个人就是蒯通。为了能够活命，他不得不隐姓埋名，甚至装疯卖傻。但是，他又逃不出韩信的领地，所以只能在这个小地方生活下去，谁也不知道他的本来面目。曾经为韩信出谋划策、位居众人之上的蒯通，竟到了如此田地，确实可悲可叹！
没有多久，韩信就不再把蒯彻的建议放在心上，也几乎忘掉了蒯通这个人。按照预定计划，他决定立即乘虚攻打项羽的后方，向楚国进军。
公元前204年十一月，刘邦在张良“三路攻楚”的战略部署下，派出杰出的外交使臣随何前往南方的九江说服英布反楚。随何到了九江以后，就声情并茂地向英布分析了楚军远道作战，军粮后继困难，而汉王名正言顺讨伐项羽的情况；又列举了英布托名楚臣却没有尽臣子责任的事例。说他既没有身先士卒作为项王先锋征讨齐国，又没有出兵帮助楚军解彭城之围，这样的做法根本不是臣子所为。一席话说得英布哑口无言，在随何三寸不烂之舌的鼓动下，他动摇了归附汉军图存的念头。
想赢得英布帮助的不止刘邦一人，项羽也派来使臣要求英布出兵相助，共同灭汉。英布顿时成了两方争夺的对像。还没等楚国使臣说话，随何抢在楚国使臣前面，对他说：“九江王已经归顺大汉，你们项王凭什么调发他的大军？”
这话一出口，英布大惊失色。他本来打算暗中与汉军缔结盟约，想不到随何快人一步，说出这句无法收回的语句，他一脸愕然，不知如何是好。楚国使者见状，以为随何说的是实情，他认为自己的处境有危险，就急忙站起来。随何向前跨出一步，对英布说：“事情已经败露，大王赶快处死楚国使者，不要让他回去报告项王。然后紧急出兵与汉王联手对付楚国。”英布无奈之下，处死了楚国使者，率军攻击楚国后方。
世上没有不透风的墙，英布杀死项羽使臣的消息还是传了出去。项羽得知消息，一边派遣大将项声前来阻挡，几个月后，项声等将击败英布的军队，英布在九江无法立足，只好前来投靠刘邦。项羽则急攻荥阳。他获悉汉军在敖仓囤积了大量的军粮，马上指挥军队抢夺敖仓通向荥阳的河道控制权，几次拉锯战后，河道被楚军控制。
当韩信北举燕、赵，东击齐国的时候，刘邦在荥阳与项羽相持，展开了激烈的争夺战。刘邦勉强支持了一段时间。但是，项羽大军将刘邦围困在荥阳城内，粮食将尽，人心惶惶，情况十分紧急，只好请求议和。条件是将荥阳以东的所有地区割让给楚国。
项羽打算接受汉王的条件，但是项羽的谋士范增却提出建议：“现在汉王军队缺乏粮食，很容易对付，如果我军放弃目前的大好时机而不斩草除根，日后必定会后悔。”项羽同意了范增的意见，于是不理会刘邦的求和条件，加紧攻打荥阳城。
楚军猛烈的攻势把城中的汉王急得团团转。这时，将军纪信想出了一个好办法，他对刘邦说：“大王，请允许我冒充你，前往楚营投降，你另外从小路突围。”刘邦同意，于是假汉王纪信夜间领域中的女子及二千名战士由东门出城。
纪信自愿扮成汉王，大开东门，伪称投降。这一招果然奏效，楚军们麻痹大意。楚军一见荥阳城门打开，马上从四面八方涌上来，纪信在汉王专用的黄色战车上张开装饰着五彩羽毛的旌旗，大声说：“城中粮食用完了，我就是汉王，现在投降来了！”楚军欢呼雀跃，长久的战争结束了！围攻其他城门的士卒都蜂拥而至，“万岁”之声如同海浪翻涌，胜利的歌声嘹亮长空。他们甚至纷纷抢夺从城中出来的女子。项羽部将连忙前来张罗受降仪式。
这让刘邦得到了乘机逃走的机会。真汉王刘邦偷偷地带着数十名骑兵从西门逃出荥阳，一路向成皋急奔——这就是“偷梁换柱”计了。当楚军还在欢呼胜利的时候，刘邦已经带着几十名亲信远走高飞了。
这时，项羽来到阵前，他是认识汉王的，一看，竟然不是刘邦而是纪信，于是哇哇大叫，问：“汉王在哪里？”纪信面不改色，对答道：“汉王已经突出重围了！”项羽发现自己上当，但是事已至此，即使捶胸顿足也无济于事。这时，项羽想起了当年的鸿门宴，也是自己的疏忽让刘邦逃走，历史竟然在这么短的时间内重演，让项羽分外自责。项羽只有立即下令将纪信活活烧死，再挥军攻击荥阳城。
荥阳城中，刘邦逃亡前留下御史大夫周苛和枞公、魏豹守城。周苛与枞公暗中商议：“魏豹是背叛过汉王的诸侯王，我们不可以和他一同守城。”于是，合力杀死了魏豹。可怜的魏豹，就这样被自己的同事诛杀。
不久，楚军攻陷荥阳，俘虏了周苛和枞公。项羽对周苛说：“你归顺我吧，我任命你为上将军，加封你为万户侯。”周苛高声大骂：“你还不赶紧投降汉王，汉王很快就会俘虏你了，你不是汉王的对手。”项羽大怒，将周苛抛下油锅烹煮而死。他的怒气还未息，连枞公也杀掉了。由此可见，汉王刘邦手下的大将对刘邦都是很忠心的。
刘邦逃出荥阳后，向南经过宛城（今河南南阳市）、叶城（今河南叶县南）地区，遇到英布，于是一起收集残兵，进入成皋驻守。
汉军坚守，楚军一时无法突破，两军就这样相持着。渐渐地，汉军的粮草越来越少，军粮供应成了一个大问题，所以刘邦又想和楚军决战了。这时，刘邦的一个谋臣郑忠向他提出另一个战略：坚守阵地，另外派出支援部队前往中原梁国，与部署在那里的彭越部队共同撞击楚国心脏，烧毁楚军的军粮。
这个计策乍一听还不错，可是，刘邦此时手下的兵力已经严重不足。能不能和彭越的部队联合出击取得胜利，实在是无法预料。但是，此时的刘邦已经无计可施。所以，刘邦就同意了郑忠的意见。
于是，刘邦就派汉将刘贾、卢绾领二万人及数百名骑兵，由白马渡口渡过黄河，进入楚国地界，与彭越呼应，四处破坏、焚烧楚军后方设施和军需粮仓。项羽见自己的后院起火，连忙派出部队前去救援，刘贾等人坚壁清野，不肯出战。
这次，楚军运输线彻底断了，楚军的军粮失去了供应的渠道。按说，项羽应该及时派大将领兵去救急，项羽手下的大将众多，完成这个任务并不是很困难。但是，项羽此时已经不想再拿自己的任何一位大将随随便便去冒风险。眼下正是军中极度缺乏将才的时候，损失了一员大将无异于损失了一万精兵啊！
彭越看到项羽的部队仍然故技重施，不肯派大军出战，就决定转移项羽的注意力，挥军到处征讨。彭越越战越勇，一连攻克睢阳、外黄等十七座城池，项羽派出的楚军部队抵挡不住刘贾和彭越的联军。楚军的后方告急，项羽无奈，他要稳定后方，于是领兵攻击彭越。
项羽一走，汉军就乘机渡过汜水河，收复成皋，并驻军广武山（今河南荥阳市东北），由敖仓提供军粮。项羽赶走彭越后，回军荥阳地区，驻军广武山以东，与汉军相隔着广武涧水，彼此又僵持了几个月。
刘邦退回关中后，对这样僵持不下的战况很不满意，决心速战速决，拿下项羽，力挺中原。所以，就命令彭越重新发动对项羽的进攻，后方的彭越又卷土重来了，他采纳袁生的建议，聚集一部分兵力，改从武关出兵宛城（今河南南阳市）、叶城（今河南叶县南），吸引项羽主力南移。楚军刚刚南下，彭越又攻占下邳，大破楚军。项羽因为后方受到威胁，只得再从宛、叶东征刘邦手下的大将彭越。
这时，刘邦乘机北上，击败楚军，将部队驻扎在成皋（今河南汜水西北）。项羽打败彭越后，立即回军西攻，占据了荥阳、成皋。当楚军西移之后，彭越又在项羽后方展开了军事活动，项羽被迫再度东征彭越。项羽留下大将曹咎守卫成皋，告诫说：“你千万要谨守成皋，不论刘邦如何挑战，都坚守不出。你只要牵制了汉军，不使东进。十五天内，我攻破彭越，立即回师。”
但是，汉军不断向曹咎挑战，又派人在阵前辱骂。曹咎是个热血男儿，哪能经受起如此的奇耻大辱。他怒火中烧，忍耐不住，就出军渡汜水应战。他哪里知道，自己的鲁莽行径正中汉军之计。楚军刚到半渡，即遭到汉军袭击，措手不及，大败溃退，曹咎也自杀了。刘邦乘胜率军渡河，再占成皋，把军队驻扎在广武（今河南荥阳东北）。
项羽听说成皋为刘邦所破，急忙回师，楚、汉双方又在广武相持不下。
楚军缺粮，利于速战，项羽多次向汉军挑战，刘邦总是深沟高垒，避免决战，打持久战拖延楚军。项羽很清楚，如果再不速战速决，肯定会吃亏的，于是决定威胁一下刘邦。
项羽的心中有自己的一番想法：要招降刘邦。项羽想不费一兵一卒，要刘邦对自己俯首称臣。项羽将前段时间俘虏的刘邦的父亲刘太公推到两军阵前，准备了一个巨大的俎案——即切割肉菜的砧板，他吩咐士卒将刘太公放在俎案上，高声向城中的刘邦说：“如果你现在不迅速投降，我就杀掉你的父亲！”原来项羽经常带着刘邦的家人在军中就是为了有朝一日能派上用场，不能说计谋不深啊！
刘邦看见自己的父亲即将成为刀俎之下的鱼肉，按说理应心急如焚，然后，自然就是想办法救自己的亲人了。或者是领兵投降，或者是拒不投降，或者是诈降，这些都是常人会想到的办法。不过，此时的刘邦却不循常理，竟然对项羽说：“我当初和你项羽一同受命于楚怀王，在他的面前相约为生死兄弟。既然我们都是兄弟了，我的父亲就是你的父亲。如果你真下得了狠心，要烹杀父亲，我也无力挽回，那就只能期望你能分我一杯羹，以尽我们的兄弟之谊。”
项羽听了刘邦这番大逆不道的话，不由大怒，心想：刘邦这个人真是没心没肺，为了权利和地位，竟然连亲情都不顾，哪里还能算得上是个英雄！既然他对自己的父亲都这样，我干脆就了了他的心愿，让他父亲去见阎王吧！于是，就下令执行烹刑。
这时，项羽身边的叔父项伯连忙制止了他莽撞的做法，说：“天下大事尚未最后平定，后事如何不得而知，谁胜谁负还得过些时日。况且，争取天下的英雄豪杰往往不顾家业。许多豪杰英雄为了国家大事，天下苍生，根本就无法顾及家人的死活，这也是常有的事情。将刘邦的父亲挟持为人质，借此声讨刘邦，并不是长远之计，或者说根本就没有什么深谋远虑。相反，你出此卑劣的手段，恐怕会得到天下人的谴责和耻笑。即使你今天打败了刘邦，也难以为天下人所信服。现在两军对峙，形势危急，即使杀掉刘太公，也于事无补，只会增加彼此的仇恨，增加自己的祸害。”
项羽想了想，觉得项伯说得对，于是没有继续下去。在鸿门宴上曾经出剑救刘邦一命的项伯，想不到如今再次出言挽救了刘邦父亲的性命，刘邦真的是应该感谢项伯了。
项羽的“苦肉计”没有得逞，又不想轻易出兵强行攻打刘邦，所以，楚汉继续僵持。但是，两军的士卒长期征战，苦不堪言，负责运输的老幼后勤部队，更是疲劳到极点。项羽左思右想，觉得这样下去实在不是个办法，想到威胁不成，项羽又心生一计。项羽出阵对刘邦说：“如今天下战乱不休，已经数年之久了，都是因为你我两人不肯罢休的缘故。我项羽愿意和你单人独骑决一生死，不要再为害天下老百姓了！”
刘邦知道单打独斗自己绝对不是项羽的对手，所以根本就不理会项羽的那一套，他微笑道：“我不和你斗力气，我宁愿斗智。”
刘邦软硬不吃，项羽仍然无可奈何。楚军多方受敌，疲于奔命，韩信为刘邦所策划的计谋，正在逐步实现，战争形势进一步在向有利于刘邦的方面转化。
见“激将法”没能成功，项羽又想出一个方法，每天命勇士前去阵前挑战，对刘邦破口大骂。刘邦原本为人就挺高傲，听不得别人说他的坏话。于是，就命令一个楼烦士兵去对付项羽派来的那些勇士。楼烦士兵善于射箭，楚军勇士先后挑战三次，三次都被楼烦士兵用箭射死。项羽大怒，亲自披挂铠甲装扮成勇士前来挑战。楼烦士兵并不认识项羽，认为只是那些手无缚鸡之力的勇士又来自寻死路，所以又想弯弓射他。
项羽见这个无名小辈居然对自己无礼，就瞪大眼珠，神威凛凛，大喝一声，厉声呵斥楼烦士兵。士兵吓得双腿哆嗦，不敢正视项羽，双手颤抖得拉不开弓。项羽再次呵斥，楼烦士兵竟然吓得退回到城楼里，不敢再出来了。项羽见状，哈哈大笑，直骂汉军没有志气。汉王觉得奇怪，为什么楼烦士兵不敢射杀这个骑兵？他究竟是什么人？他带着人马出城，并派出探子前去打探，回报是项王时，刘邦大惊，他没有想到项羽竟然会表现得这么英勇。
这时候，刘邦和项羽隔着广武涧水，进行了近距离、面对面的对话。刘邦口才甚佳，他声情并茂、声泪俱下地历数项羽的十大罪状，指控项羽擅杀宋义，坑秦卒，杀秦王，焚秦宫，杀义帝，劫诸侯，分封不公平，为诸侯做榜样逐旧主等等。直说得项羽暴跳如雷，肺都快气炸了。项羽想也没想，不计后果地想和刘邦决一雌雄，刘邦还是对项羽的挑衅置之不理。情急之下，项羽竟然吩咐士卒放箭，一支箭正中刘邦胸口，刘邦应声倒地。
众将见刘邦倒地，急忙将刘邦扶入大营之中，并叫来军医诊治。刘邦箭伤严重，卧在营中，无法起来。张良坚持请他起床，步行出军营，与汉军士卒见面，慰劳全军，借此来安定军心，不要让楚军有机可乘。汉王刘邦勉强走出营帐，展示自己安然无恙。但是，回到帐内时，伤势更加严重，于是入城治疗，经过一段时间后才好转。刘邦虽然受了重伤，一定程度上挫伤了汉军的士气。但是，这场拉锯战发展到这里，形势对楚军并不有利。楚军求战不得，欲退不能，渐渐处于弱势。
公元前202年，由于韩信占领了黄河中、下游的广大地区，彭越又在梁地不断骚乱，使楚军供应困难，形势对项羽日益艰难。汉军方面，萧何不断从关中运送兵员和粮草，支援前线，刘邦兵足粮足，在荥阳以西稳住了阵脚。
正面战场上的项羽，所处的地位越来越不利了。公元前203年二月，张良奉汉王之命，立韩信为齐王，项羽派武涉前去游说韩信，被韩信所拒绝。其后不久，韩信就从齐国向楚地发起了相当规模的进攻，由于韩信从齐国派灌婴向楚地进兵，袭占了项羽的许多地方，包括他的根据地彭城在内，项羽知道形势危急，就派人向刘邦讲和。约定以鸿沟为界，中分天下，一分为二：凡是鸿沟以西的地方，都归汉王刘邦，凡是鸿沟以东的地方，都归楚霸王项羽。显然，这是一个对楚方不利的停战和约。其一，鸿沟地处荥阳东南，和议达成，就意味着项羽要把苦战夺得的荥阳拱手送还汉王；其二，项羽送还刘太公与吕氏，刘邦不必再顾忌身陷楚营的老父与妻子，可以任意行事。
即便是这样不合理的合约，此时的项羽也只能被迫接受，因为再不和谈，项羽已经快要支持不下去了。或许是出于担忧汉王毁约，项羽提出汉王必须派出一位亲信将领来楚军作为人质，才能归还刘太公与吕氏。项羽的这个条件提出以后，刘邦很费脑筋，派谁去做人质实在难以决定。这时，早年间跟随刘邦起兵于沛县的周缲，自告奋勇，前往楚营充当人质。
周缲多年来追随刘邦，鞍前马后，不离左右。不论刘邦如何身处险境，他都寸步不离，他与刘邦的亲密关系，不仅汉军里人人皆知，就是楚军也有耳闻。周缲只身来到楚营，项羽当面问他：“你来此处换回刘太公与吕氏，万一汉王毁约进兵，你就只有死路一条了。”周缲听后淡淡一笑，昂然说：“我早已经将生死置之度外，而且我也已经将自己的身体交给汉王了，赴汤蹈火，在所不辞。项王何须多言？”
项羽不得不暗自感叹：前有以身代死的纪信，现在又有一个知险而进的周缲，看来刘邦本人虽无武勇，但确实能笼络人心，让人们甘愿为他拼死卖命。平心而论，在这一点上，我的确不如刘邦啊！也许，汉王能成为我的劲敌，原因就在此处？真是造化弄人啊！
和约并未规定汉王要撤回韩信、彭越、英布、刘贾等人在东方的军队，而实际上楚国所能控制的地域已经很小了，所谓的“中分天下”只是一种表面文章。即便如此，项羽还是接受了这个不公正的和约。
刘邦同项羽讲和以鸿沟划界之后，项羽和刘邦双方罢战，各自领兵退回。当项羽东归后，刘邦也想西归。刘邦目送楚军渐渐远去，不由得长叹了一口气，不管将来如何，目前却可以睡个安稳觉了！他正准备下令撤兵，张良和陈平却给刘邦献策说：“我们已经有天下一大半，诸侯们也都归附我们。现在，楚军疲惫不堪，粮草已断绝，这正是消灭项羽的天赐良机。不如乘这次机会把它拿过来，如果不追击，那就是养虎为患。”
刘邦略加思索就下达了命令：全军越过鸿沟，跟踪追击撤退的楚军，务求全歼。
由刘邦首先提议的中分天下的协议，在项羽撤兵之后不久，就由刘邦君臣一手撕毁了。人们可以从道义上对刘邦的行为提出谴责与批评，但从军事战略的角度而言，无疑是一个高明的决策。有道是“兵不厌诈”，刘邦撕毁和约的行为虽然算不上是“耍诈”，但是项羽也早就该想到这一点。
刘邦和张良、陈平等人在决策毁约进兵时，都只字没有提到那位前往楚营作为人质的周缲。与其说这是一时的疏忽，不如说是故作糊涂，要争夺天下，连父亲的安危都可置于不顾的汉王，怎能因为一个忠诚的部将而束缚了自己的手脚？可怜对刘邦忠心耿耿的周缲白白送了自己的性命，成了刘邦手头的一件工具。
项羽得知汉军尾追而来的消息，自然十分恼怒，但他不思株连无辜，何必再多杀一个无足轻重的周缲呢？于是下令释放了周缲，周缲平安返回汉营，仍然不改对汉王的忠诚。后来，刘邦封他为蒯成侯。当然，这是后话了。
刘邦下令各诸侯会合后，韩信和彭越却迟迟不来，眼下兵力不够，项羽又被刘邦不守信用的行为弄得怒发冲冠，刘邦一下子也不知所措。
这时，刘邦心急如火，求计于张良。他对张良说：“诸侯不来，怎么办呢？”张良回答道：“项羽即将覆亡，韩信、彭越二人还没有正式分封疆土，他们不来是不奇怪的，大王如果能够跟他们共分天下，就可以促使他们领兵前来会师，如果不能共分天下，事情就难说了，现在，如果能将睢阳以北直到谷城，都封给彭越，从陈县以东一直到大海，都封给韩信，那么，他们两人都将尽力作战，楚军就容易消灭了。”
刘邦是最清楚轻重缓急的人，思前想后，同意张良的点子，并立即派使者前往告诉韩信和彭越：“请你们立即发兵，合力消灭楚军。楚军消灭之后，从陈县以东直到大海的领地，全封给齐王韩信，从睢阳以北到谷城之间的领地，全封给相国彭越。”
其实，刘邦与项羽的这场反击战争，早在韩信的预料之中，并且早有了主意，只是最近与刘邦产生了一些分歧。
北举燕、赵，东击齐国，最后在荥阳会师，消灭项羽，这本是韩信的既定战略。但是，在逐步实现的过程中，韩信和刘邦却产生了矛盾。汉王事前不与韩信商量，事后也不通知，就派郦食其说降齐国，韩信很恼火，感觉自己不被重视，于是不理睬刘邦的决定，按原计划攻占了齐地。在这个问题上，韩信不高兴，刘邦当然更不高兴，这是一件事。第二件事，就是韩信请求刘邦封他为代理齐王。虽然张良奉命前来立他为真齐王，但韩信知道，这是张良、陈平的计策，并不是出于刘邦的真心。在这个问题上，刘邦不高兴，韩信当然更不高兴。刘邦畏忌韩信的才能，对他既要任用，又不放心，韩信想到这些事情，总是怒火中烧。
但是，韩信又对刘邦心里的真实想法了如指掌。其实，韩信一直都在关注着刘邦与项羽的战况，他对刘邦虽有防范之心，却也是赤胆忠心。刘邦与项羽在广武相持，楚军粮尽，韩信就派灌婴攻占项羽的后方，对战事的胜利起了很大作用。
现在眼看项羽就要被消灭，自己的计策即将全部实现，韩信心中十分高兴，日夜都在考虑如何与刘邦会师的问题。但是，突然有一天，探子报告：“汉王决定与项羽讲和，楚、汉中分天下，以鸿沟为界。”韩信大为震怒，心想这岂不是放虎归山，现在，关键时刻已经来到，消灭楚军已是指日可待，刘邦竟会用此下策，功败垂成，这是为什么？
韩信心急如焚，不过头脑里隐隐约约出现了这样一个想法，是不是刘邦畏忌自己的才能，深恐消灭项羽以后，自己将转过身来，把矛头对准汉军？想到这里，韩信苦笑了。他本来是项羽身边的人，后来背楚归汉，不能不怀疑啊。尤其是魏豹一而再、再而三的背叛，让刘邦变得多疑。最近项羽又派武涉前来，游说他反汉与楚，尽管遭到严词拒绝，监视他的曹参、灌婴等人，还能不知道汉王对此的反应？
现在，汉王放走项羽，是不是企图利用他来牵制自己？想到这里，韩信不再是苦笑，而是震怒了。“野禽殚，走犬烹，敌国破，谋臣亡”，韩信突然想起这句古话。越王勾践和文种的故事，这时也浮现在脑际。汉王的举动，对韩信说来，是一个大疑问，韩信不由得叹了一口气，无奈啊。
韩信虽然身在兵营，但仍时刻关心着外面的动态，不久又收到探报，得知项羽引兵东归的时候，刘邦毁约追击，这才放下心来。后来打听到，这个计策原来是陈平和张良两人为刘邦谋划的。他知道，刘邦要他会师的命令快要来了，他想试探一下刘邦。
果然，刘邦命令韩信率军到固陵会师。韩信接到命令后，不加理睬。刘邦急了，就按照张良的计策，将陈县以东一直到大海的原来齐国的疆域，封给韩信。尽管又打听到，这是张良的主意，也非出于刘邦真心，不过韩信还是消释了心中的一些疑问和怒气，毕竟完成统一天下的意愿是他的梦想。
不久，韩信随即传令发兵。刘邦见诸路兵马如期而至，心中大喜，当下命韩信为总统帅，指挥各路大军，又命萧何、夏侯婴运输粮草，供应前方。
不过，话说回来，有了这一番曲折，汉王刘邦对韩信的疑忌更加重了一层，因为在关系楚汉兴亡的关键时刻，韩信一定要等到汉王明确划分封地范围之后，才亲自率兵参战，确实有乘势要挟之嫌。对于韩信而言，这决非明智之举。
韩信大兵既出，果然不同凡响。三十万大军军容齐整，旌旗鲜明，在韩信率领下，浩浩荡荡地从齐国出发。
垓下之战闻名于世，项羽乌江自刎的故事更是千古流传。但是，很少有人知道这一切事情的发生，都源于韩信神机妙算。
韩信很有头脑，他没有领兵直接西进，与项羽交锋，而是首先从齐地南下，与先期纵横于淮北的灌婴骑兵会合，以绝对优势兵力，压向守御力量不足的彭城。楚军集中主力精骑在南平阳县（今山东省邹县北）布阵迎战，灌婴的骑兵不费吹灰之力就一战而胜，楚军溃败。韩信顺利地攻占了楚都彭城，俘虏了替项羽留守根据地的项佗。项羽的根基已经遭受了严重的打击，现在的战局对项羽来说，已经是无法挽回了。
此后，汉军又乘胜进兵，招降了留（今江苏沛县东南）、薛（今山东膝县南）、沛（今江苏沛县东）、酆（今河南永城西）、萧（今安徽萧县）、相（今安徽濉溪市西）等县城，攻占了苦县（今河南鹿邑县）、谯（今安徽亳州市）等地，占领了项羽的大后方。
汉兵云集，项羽自知无力取胜，就向东南方撤退到垓下（今安徽灵璧南），与汉军相持，双方都在等待决战时机的到来。韩信率领大军抵达，刘邦十分高兴，盛情招待韩信，把当前的战况说明一番。这时，楚军不过十万，汉军方面，仅作为主力的韩信部队就有三十万人，优势不言自明。
韩信估计了汉军的力量，也估计了楚军，认为楚军虽数量远逊汉军，却是百战之余的劲旅，在项羽率领下，又都抱有必死的决心，不可轻视。如果指挥不善，汉军的优势将会转化为劣势，胜负之数是不可知的，还须先计而后战，出奇制胜。经过反复思考，韩信的作战方略已定。
这夜，微风轻拂，星光灿烂，汉王帐内，各大将领都意气风发，准备商量作战计划。刘邦南面席地而坐，大将韩信坐在一旁，诸将朝北环立。汉王就当前形势说了几句，便把目光转向韩信，请他提出作战方略。韩信微微点点头，开始说出自己的计策。首先说明的是他对楚、汉双方的估计，接着说道：“这次决战，如大王从前所说，只能斗智，不能斗力，应该出奇制胜，用计谋克敌。我愿率领齐军三十万，首先迎战。”
“这三十万之众将分为三军，我自居中军，请孔荣、陈贺两位将军分领左右二军，作为两翼。”刘邦点了点头，表示赞同。
韩信又接着说：“我率领中军首先出击，孔、贺两军埋伏在左右两侧。我军一交战，就佯败后退，诱敌追击。我败一阵，退一阵，使楚军误认为汉军不堪一击，更加紧追不舍。这样，项羽和楚军诸将必定骄傲轻敌，士卒则疲惫怠惰，乘他们将骄兵惰之际，孔、陈两将军伺机夹击。到时候，我们的各路大军只要一会合，项羽就插翅难飞了。”
说到这里，韩信露出笑容，高兴地对刘邦说道：“大王必定料想得到，这样一来，楚军措手不及，定被拦腰截为几段，前后不能相救。”刘邦思索了一下，点点头。诸将也都称是。
韩信最后说道：“攻其无备，出其不意。乘楚军混乱之际，我回师反击，三军合围，项羽的胜负，大王也是可以料想得到的。”
刘邦等人听了韩信所谋划的计策，都十分佩服，本身是军事良才的张良也对韩信的这一招佩服得五体投地。韩信又说：“大王处在我军的后面，周勃和柴武两位将军所率部队又在大王的后面。”周、柴两人的部队是在后，当项羽大举迎战之时，他们可以绕道进击楚军的后背，与汉军主力配合作战，这样布置使计策更加周密了。说罢，刘邦拍手称赞计策周密，下令立即实施。
回顾韩信的计划，他将主攻的任务留给了他本人直接指挥的部队，这不仅说明了他有不畏强敌的勇气，而且表明了他对汉王刘邦并没有防范之心，表明了他甘愿为汉王拼死奋战、剪灭大敌的忠义之心。
刘邦将全军的指挥权交给了齐王韩信，韩信立即调兵遣将，将三十万人马分成十队，布置了十面埋伏阵，四环接应，一起从四面八方向垓下涌来，不到十万人的楚军立即陷入了被围攻的困境之中。
这时，正值公元前202年十二月，气候格外寒冷。楚军正被迫作困兽之斗，汉军将士虽然都已知道这将是灭楚的最后一战，但项羽的神威却是任何人都不敢忘记的，大战前夕的紧张气氛，弥漫在方圆百里的战场上空。
项羽把楚军分作三个大营，分别由他本人及大将季布、钟离昧统领，排列成“品”字形，严阵以待。
日上三竿，韩信擂鼓进军，他亲率三万人马上前挑战。士兵按韩信命令，冲着楚营高喊：“人心皆背楚，天下已归刘。韩信屯垓下，要斩霸王头！”项羽一听，气得七窍生烟，率众冲杀出去。垓下之战开始了！
当年，一个是将军，一个是将军身边的侍卫，这次在战场上重逢，却是敌我两方，你死我活了。韩信成竹在胸，按预定的计策行事，项羽仍旧猛打猛冲，奉行他的一贯战法。项羽手持长戟，催动胯下乌骓马迎头向汉军杀来。楚军将士尽管已是连年征战，现在又处于粮尽援绝的困境之中，但他们仍然奋勇力战，莫不以一当十，紧紧跟随着他们心中仰慕的英雄，在汉军的四面包围之中，左冲右突，有进无退。
两军相接，仅交战一次，韩信就佯装失利，挥军后退，项羽不知是计，命令楚军急追。楚军人人奋勇，在后死命追赶。两军相接，交战几个回合，韩信且战且走，把项羽引进了包围圈。项羽尚不知是计，大为高兴，认为韩信斩陈余，杀龙且，从来没有遇到过对手，这次可遇到劲敌了。他准备大破汉军，活捉韩信。
楚将虞子期怕中埋伏，打马追上项羽，劝道：“韩信多谋，汉军势众，主公不必急于追杀，待我江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再杀他也不迟。”此时项羽已怒不可遏，如何能听进这些话，他狠狠瞪了虞子期一眼，全不把汉军放在眼里，一直杀奔过去。
楚军认为胜利即将到手，从项羽到诸将，都越来越骄傲，同样也越来越疲惫。突然，杀声四起，汉军伏兵两路杀出。汉军漫山遍野而来，原来楚军是遭到了孔荣率领的左翼军的袭击。楚军措手不及，即被拦腰截为两段。正当两军混战之际，陈贺率领的右翼军也乘机杀出，这一来，楚军更被截作数段，彼此失去照应，乱成一团。
项羽气得血往上涌，一心要抓住韩信，径直追去。接连汉军伏兵四起，十面埋伏，一起杀出，将楚军团团围住。项羽方知中计，余气未消，身心疲惫，只得奋力杀开一条血路，带领残部退回垓下大营。
十万楚军经过几番厮杀，剩下的已不足两三万人，垓下被围，岂能动弹？一晃几日过去，粮草断绝，外无援兵，不禁陷入一筹莫展的苦境。时值隆冬，寒风刺骨，楚军将士忍饥受冻，多有怨声。
到了这种地步，楚军已是强弩之末，失败已成定局了！
项羽也因内无粮草、外无救兵而坐卧不安。只是他苦思无计，只能在帐中和美人虞姬饮酒解愁，忽然听到四面汉军都唱着楚歌，也大为吃惊，以为汉军全部占领了楚地，因而更加惊恐，他惊慌失措地说道：“难道汉已全部占据楚地？为什么汉军中有那样多的楚人呢？”善解人意的虞姬也在一旁暗暗抽泣。这种际遇，这种折磨，又岂是一个“愁”字所能了得？
楚军将士也被这歌声引动了思乡之情，无心再战，纷纷逃散，连跟随项羽多年征战的将军们，也暗地里不辞而别，就连项羽的叔父项伯也偷偷离去了。军心大乱，一夜之间，项羽身边只剩下了千余人。
项羽叫人把他的战马牵来，面对美人、骏马，感情的波涛在项羽的胸间奔腾翻涌，最后化成了千古绝唱《垓下歌》：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。
项羽反复吟唱着出自内心的悲歌，泪流满面，心若刀割。项羽原本是性情中人，感情真挚，秉性坦荡。虞姬在一旁失声痛哭，“大王若活不下去，贱妾还能活下去吗？”说罢，自杀身亡。一代枭雄楚霸王，闻声急救。可是，虞姬早已香消玉殒。抱着虞姬的尸体，项羽痛不欲生。只能仰天长啸，叹造化弄人，悲苦之情难以言状。
袁枚对虞姬飘然而逝的叹息，引人无限遐思。今人尚且如此，当时的楚霸王项羽内心的挣扎和痛苦也是可想而知的。但是，“成者为王，败者为寇”，称王称霸就要承担这个风险。忆往昔，项羽也曾威风凛凛、盛名远播。但是，在自己失利之时，连自己心爱的女人都保护不了，真是令人惋惜！
项羽出帐，飞身上马，八百多名亲信壮士也跟着上马。他们乘夜色已深，突围向南面飞驰。天明后，汉军才发觉项羽已经突围而去，急忙报知汉王。刘邦大吃一惊，命令骑将灌婴带领五千名骑兵紧紧追赶，在追赶的过程中，双方又经历了几次搏斗，项羽损失惨重。
项羽率兵渡过淮水，八百多名亲信壮士仅剩下一百多人。项羽来到阴陵（今安徽定远西北），迷失了道路，向一个农民问路，农民骗他说：“向左走。”项羽信以为真，往左面走，最后陷入大沼泽中。后世有人说，那农民就是韩信故意安排在那里，设计让项羽误入歧途的。
道路泥泞，沼泽陷没马蹄，项王知道受骗，想着回军另走他途。谁知汉军已经追上，一轮混战立即就开始了。项羽不愧号称是“楚霸王”，他组织战士突围时，勇猛异常、无人能敌，让汉军士兵目瞪口呆。项羽以其神勇，威慑敌胆，竟从东城突围而出。突出重围时，项王回头看了看自己的部队，只剩下二十六名骑兵，而汉军追上来的有数千人，霸王叹息一声，知道自己绝对没可能逃出包围圈了，他抱定了必死的决心。
项羽回头看了看来势汹汹、越来越近的汉军追兵，此时他的脸上已经没有了焦急的神态。他对二十六名勇士说：“我起兵反抗暴秦，到今天足足八年了！八年来身经百战，从来没打过败仗，于是称霸天下。想不到如今竟然被困这个地方，这是上天不给我生路，要灭亡我，并不是我指挥作战上的过失啊！今天，我决定和敌人决一死战。大家跟随我多年，对我忠心耿耿。我知道你们一定会同我血战到底，就让我来为大家进行一场痛快淋漓的决斗吧！如果我能够突出重围，并斩杀敌军主将，又砍倒敌人的军旗，这种胜利都能够一一实现，那就是说明这是上天要我灭亡而不是我的错误！”
说完，项羽用青筋暴露的手紧紧握住手中的战刀，又用力拉了马的缰绳。指挥二十六骑从高处四面出击，约定到对面山坡的三个地方集合。于是，楚军最后的二十七名（包括项王）勇士呼啸而下。项王身先士卒，迎面就将一名汉军斩杀下马。这时，有一名叫杨喜的汉军骑将追了上来，项王怒目圆睁，厉声大喝。杨喜人马顷刻惊慌失措，狼狈退避到几里之外。因为二十七名骑兵分路出击，汉军不知道何人是项羽，于是兵分三路，紧紧追赶。汉军再次包围项王二十七人，项王纵马奔驰，又斩杀一名汉军将领、数十名汉军士卒。等到楚军再次会合时，只是损失了二名骑兵。项羽大声说：“你们觉得怎样？”“大王说的一点也没有错！”剩下的骑兵佩服地点头回答。
项羽再次带着二十四骑，一路冲杀，向东南方撤退到长江西岸的乌江（今安徽省和县境内），终于到达乌江地区的长江北岸。面对着滚滚长江，项羽百感交集。项羽看见大势已去，就对身边的骑兵说：“我自从起兵到现在已经八年了，身经七十余战而未败，遂霸有天下。今困于此，这是天意亡我啊。”
正在此时，乌江亭长驾着一只渡船过来，请项羽渡江，以后卷土重来，再争中原。
此时此刻，项羽悲伤而又十分矛盾的心情，让他踌躇不前。乌江亭长已驾船等待，并催促道：“江东虽小，地方千里，百姓还有几十万人，完全可以在那里称王。大王，请您赶快上船。现在，仅我有船，汉军虽到，是无法渡江的。”
项羽苦笑道：“天要亡我，何必渡江？想当年，我与江东子弟八千人渡淮北进，今天无一人一骑归还，纵然江东父老可怜我，仍尊我为王，但我还有什么脸面再见他们呢？他们虽然不说什么，我难道能不内愧于心吗？”说罢，七尺男儿落下了伤心羞愧的泪水。
他将自己的坐骑送给亭长，命令骑兵都去马，手持短兵器交战。项羽大呼，激战汉军，又杀死汉军几百人，自己也受了十几处伤。他举头一望，突然看见汉军骑将吕马童，便大声说道：“你不是我的故人吗？”吕马童指着项羽，回头对另一骑将王翳说：“这就是项王！”项羽又说道：“我听说汉王悬赏千金、封邑万户要我的头，现在成全你吧！”说罢，就举刀自杀。项羽一死，楚军遂被消灭干净了。一代悲剧英雄，就这样血洒乌江，时年三十一岁。
项羽死后，汉军纷纷上前抢夺项羽的人头，好回去请功邀赏。王翳首先抢到项羽的头，几十个人也奔上前来，互相争夺项羽的身体，最后，杨喜、吕马童等四人各抢到项羽身体的一部分。后来，这五个人全被刘邦封为列侯。刘邦这样做，颇具戏剧性。长达五年的楚汉战争，以刘邦取得最后胜利而结束。
在整个垓下之战中，韩信先以歌谣激怒项羽，使其误入十面埋伏之阵，后用“四面楚歌”之法，致使项羽的八千子弟肝肠寸断，战斗力荡然无存。可以说，这是韩信采用的心理战略的成功战例，充分显示了韩信卓越的军事指挥才能。
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