“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。
