氣蓋世力拔山，見公束手，歌大風思猛士，為之傷懷。
——（清）王誌湉
（一）
韓信先後拒絕了武涉和蒯徹的建議，始終不願擁兵背漢。韓信此舉成就了劉邦的帝業，但也為自己掘開了墳墓之門。此時的韓信可能已經意識到了這一點，那他為什麼還不願背叛劉邦呢？或許，正如他對武涉所說的那樣，寧死也要報答劉邦的知遇之恩。
武涉回到楚營後，向項羽彙報了韓信不肯背漢協楚之事。項羽無奈，立即傳令三軍，加強戒備，以防韓信從後背殺來。實際上，韓信所率領的齊軍已開到了齊、楚邊境，隨時都在準備進攻楚國的心髒——彭城。
漢高祖四年八月，劉邦的箭傷已經痊愈。他見韓信的大軍已開到楚國邊境，便立即趕赴關中，征發新的士卒，加強廣武一帶的兵力，準備和項羽展開決戰。此時的形勢對漢軍極為有利。首先，劉邦從關中地區征發了新的士卒，兵力有所加強，而項羽已無兵可征；其次，彭越、田橫等人據守梁地，不時出兵侵擾楚軍的後方，斷其糧草，令項羽苦不堪言；最後，也是最為重要的一點，韓信以得勝之兵陳列於齊、楚邊境，時刻威脅著彭城的安全。如果楚、漢兩軍在此時展開決戰的話，獲勝的一方必定是劉邦。
不過，劉邦也不敢冒然而動。一方麵，漢軍士卒大多見識過項羽的神勇，對其依然心存畏懼；另一方麵，劉邦對韓信極不放心，擔心他會在關鍵時刻反戈一擊。因此，楚、漢兩軍依然在廣武一帶長期對峙著。
時間一長，項羽兵疲糧乏，有些支撐不住了，於是他便派使者向劉邦求和，企圖以鴻溝（古代的運河，大致走向是從今河南省滎陽市到太康縣）為界，以西為漢，以東為楚，分而治之。項羽還提出，他會把劉太公和呂雉送歸漢營。劉邦覺得這是結束楚、漢之爭不錯的選擇，便答應了。
雙方談判結束後，項羽真的把劉太公和呂雉送到漢營之中，然後安心領兵而去，準備返回彭城。劉邦也下令，擇日回師關中。但張良和陳平急忙出來勸止，他們對劉邦說：
“如今項羽引兵東去，毫無防備之心，正是消滅他的大好時機。否則等他恢複過來，再想打敗他就不容易了。”
劉邦沉思片晌，覺得張良等人說得有理。不過，單憑他自己的實力還難以打敗楚軍，所以他還是有些猶豫。張良看出了劉邦的心思，便微微一笑，問道：
“大王是擔心我們的兵力不足吧？”
“正是。”
“大王不必憂慮！單憑大王的實力，確實很難打敗項羽。不過，我們還有韓信、彭越、英布可用。大王何不許以重利，廣約諸侯，共擊項羽呢？”
劉邦聞言大喜，立即派使者約彭越、英布、韓信等人共擊項羽。不過，劉邦並沒有明確表示事成後會給彭越、英布等人什麼好處。
漢高祖五年（公元前202年）十月，劉邦的大軍追擊陽夏南，暫時停了下來，等待彭越、韓信與其會合。然而約期已過，彭越和韓信等人依然未到，劉邦有些著急了，準備單獨作戰。於是，他便領著漢軍追到固陵（今河南省淮陽北）。項羽聞訊後萬分惱怒，立即回師攻擊漢軍。兩軍混戰一場，劉邦不抵項羽，被迫退入壁壘固守。
劉邦十分著急，便問張良：
“寡人與諸侯約定共擊項羽，但諸侯不來怎麼辦呢？”
張良非常坦誠地說：
“大王沒有明確給他們的好處，他們自然不會來。如果大王肯與他們共分天下，他們定會召之即來；如果不肯，那結果就很難預料了。倘若大王願將陳以東到大海之地都封給韓信，將睢陽以北至穀城（今山東省東平縣）都封給彭越，讓他們為了自己的利益而戰，楚軍就很容易打敗了。”
劉邦沉思了好一會兒，才回答說：
“那就這麼辦吧！”
張良立即按照劉邦的安排，派幾名使者分別往梁地和齊地而去。彭越聞知劉邦許諾給自己這麼多土地，心下大喜，立即對使者說：
“請回去告訴漢王，彭越立即發兵。”
韓信本來就打算攻擊彭城，幫助劉邦的。如今，劉邦又許諾給他這麼多土地，他怎能不按時出兵呢？
（二）
得到劉邦的命令後，韓信立即出兵攻擊彭城，出現在楚軍背後。與此同時，彭越也從梁地出兵，直奔項羽左翼而去；劉賈等人則從壽春（今安徽省壽縣）出兵，經由城父，直奔項羽右翼而來。項羽四麵受敵，慌忙退到垓下（今安徽省靈璧縣東南）。駐守在舒（今安徽省舒城縣）的楚國大司馬周殷見項羽必敗無疑，立即叛楚歸漢，發兵攻打六，盡收九江之兵，往北而來，與劉邦會師垓下。
劉邦、韓信、彭越、劉賈等人很快就將垓下團團圍了起來。這時，劉邦做出了他一生中最讓人不可思議的決定：立即封英布為淮南王，統領周殷帶來的楚軍；另外還令韓信為總指揮，調遣各路諸侯的大軍。
此時，項羽的手中僅有10萬餘人，而韓信統領的諸侯聯軍卻有70萬之多。垓下之戰是韓信指揮的規模最大的戰役，也是他第一次以優勢兵力圍攻敵軍。