從理論上說，以70萬精兵對10萬筋疲力盡的敗卒，孰勝孰負，一看便知。但韓信並沒有掉以輕心，要知道，項羽之勇可敵萬人，楚軍士卒也大多可以以一敵十。當年的彭城之戰，劉邦的56萬諸侯聯軍就曾被項羽的3萬精兵殺得落荒而逃。
韓信將諸侯聯軍分為三路：一路在左，由孔將軍統領；一路在右，由費將軍統領；一路在中，由韓信親自統領。由於史書記載不詳，現已無法獲悉孔將軍和費將軍究竟為何人了。有曆史學家稱，曆史上可能並沒有這兩個人，他們不過是韓信虛構出來的兩個人物，其用意是迷惑包圍圈中的項羽。
項羽被圍困在垓下的第一天，韓信便自領中軍前來挑戰。項羽見韓信前來挑戰，心情十分複雜。想當年，韓信不過是他帳下的一個郎中，而今卻成了自己最強大的對手。想到這些，項羽不能感慨萬千。
韓信沒和項羽說什麼廢話，而是直接領兵衝了過去。項羽一馬當先，衝進了諸侯聯軍的陣中。他左衝右突，所到之處無人能擋。韓信雖然知道項羽神勇，也曾親眼見過他入陣殺敵，但看到他今天的樣子依然不免心驚。兩軍混戰一陣，諸侯聯軍漸漸不支。韓信見狀，立即下令收兵，往後退去。
項羽縱馬前來，緊追不舍，突然，孔將軍從左麵殺出，費將軍從右麵殺出。毫無防備的楚軍猝不及防，頓時大亂。就在此時，韓信又領兵殺回，與孔將軍、費將軍合兵一處，共同攻擊項羽。兩軍從上午一直殺到黃昏，士卒死傷無數，血流成河。
天色暗下來後，項羽見楚軍漸漸不支，慌忙撤軍。等退入軍營時，他的10萬大軍隻剩下了數千殘兵敗將了，其餘大多已被諸侯聯軍斬殺。
項羽脫離了戰鬥，韓信也不追擊，而是令士卒將楚營三麵圍住，隻留南麵讓項羽突圍。劉邦見韓信所布之陣，心中頗為不滿，以為他有意要放走項羽。韓信也不辯解，隻是說：
“大王請放心，臣明天自會將項王之頭呈到帳中。”
劉邦瞥了韓信一眼，說道：
“寡人知道齊王用兵如神，攻無不克，戰無不勝，但項羽不同一般的敵人，不可掉以輕心。”
“臣謹記大王的教誨。”
說完，韓信便將自己的計劃向劉邦說了一遍。劉邦聽完，微微一笑，這才高興地說：
“此計最妙！”
（三）
夜漸漸深了，諸侯聯軍的士卒們按照韓信的安排，突然唱起了楚地的民謠。楚軍士卒聽到熟悉的歌聲，無不思念遠方的家人。聽著聽著，他們就情不自禁地流下眼淚。不一會兒，就有人跟著外麵的歌聲和唱起來。一個，兩個……越來越多的楚軍士卒加入到這場絕望的大合唱中。唱著唱著，楚軍士卒紛紛丟下手中的武器，高舉雙手，循著諸侯聯軍的歌聲走去。
項羽聽到外麵唱起楚地的民謠，大吃一驚，淒然說道：
“難道劉邦已經盡占楚國之地了嗎？怎麼他的士卒都會唱楚地民謠呢？”
項羽起身，令侍衛送來一壺酒和數樣小菜，獨自喝起酒來。他的愛妾虞姬見狀，在一旁淒然落淚。她走到項羽麵前，溫柔地說：
“大王獨飲無趣，就讓賤妾給大王起舞助興吧！”
項羽點了點頭。
虞姬也唱起了楚地之歌，然後舞動起自己曼妙的身姿。項羽一邊喝酒，一邊看虞姬跳舞，不覺悲從中來，低聲吟道：
“力拔山兮氣蓋世，時不利兮騅不逝。騅不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”
虞姬聽罷，更加心如刀絞，不由低聲啜泣起來。她一邊舞動水袖，一邊和道：
“漢兵已略地，四方楚歌聲。大王意氣盡，賤妾何聊生！”
項羽起身向前，想要扶住虞姬，虞姬見項羽走過來，忽然伸手將他腰間的寶劍拔了出來，自刎而死。
這就是曆史上著名的“四麵楚歌”和“霸王別姬”的故事，不少文學家都曾以此為題，創作出了膾炙人口的愛情之作。
虞姬死後，項羽便令左右收攏殘兵，準備突圍。此時，大多楚軍士卒已經向諸侯聯軍投降了，願意跟隨項羽的隻有800餘名騎兵。項羽想起當年和叔父在江東起兵時的情景，又看看眼前的800餘名弟兄，心中不禁感慨萬千，黯然落淚。
隨後，項羽領著這800餘名騎兵向南突圍而去。韓信早已料到項羽會從南麵突圍，但他並沒有立即派兵追擊。
韓信為什麼要這樣做呢？或許他是念及舊情，有意要放項羽一馬。如果真是這樣，劉邦對他產生不滿也是情有可原的。不過，這更能表現韓信的大丈夫本色。
天亮之後，有人向韓信報告說：
“項王已經從南麵突圍了。”
韓信佯裝大吃一驚，立即命灌嬰率5000名騎兵追擊。項羽領著殘兵一路狂奔，人困馬乏，等到渡過淮河之時，身邊隻剩下百餘人了。但渡過淮河後，項羽已經基本安全了。然而令人惋惜的是，項羽在逃到陰陵（今安徽省定遠縣西北）時突然迷路了。