公元前202年，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等五路大軍於垓下即今安徽靈璧南，一說今河南淮陽之地，基本完成了對十萬楚軍的合圍。
劉邦任命韓信為聯軍統帥，指揮大軍作戰。韓信命劉賈、英布軍自南將楚軍外圍出路全部封閉，命彭越軍自北封閉通路，韓信親率自軍主力三十萬於劉邦本部軍二十萬合成一股，向困守垓下的十萬楚軍發起進攻，展開決戰。
當時的情況是，楚軍處於絕對劣勢，西楚國位於長江以北的全部土地均已失陷，十萬楚軍成為絕對的孤軍。楚軍缺糧已經幾個月，士兵饑餓，軍隊根本沒有半點補給。
而且，項羽孤軍十萬，連續久戰疲憊，決戰之時已是農曆十二月的大冬天，楚軍剛從廣武前線上撤下來，未經補給，多為穿著夏秋季的裝備，寒冷饑餓，士氣潰散。並且漢軍分五路有秩序推進，先占楚土，再行合圍，步步為營，包圍圈完善，楚軍難以發動突然性的反攻。就算突圍出去，楚軍離江東五郡距離遙遠，很難在漢軍的追擊下及時回到己方領土。
就是在這些情況之下，韓信三十萬主力於劉邦本部軍合兵一股，向盤據於垓下困守的十萬楚軍發起了最後的進攻。
經過半日廝殺，項羽沒能突破漢軍陣線，韓信始終不斷的向後退卻，始終沒有出現在項羽麵前。而項羽過於猛烈的衝鋒，卻明顯拉開了軍隊前後的距離。楚軍隊形越來越散，越拉越長，已經漸漸失去了緊密的隊形和互相之間的配合。
戰至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂回急進，終於完成了前後夾擊之勢。漢軍左右軍隨之投入了對楚軍後方則翼的進攻，以緊密的陣形兩麵壓來，迅速合圍了落在後麵的楚軍步兵。楚軍將士殊死抵抗，兩軍官兵絞鬥在一起，立刻陷入交戰狀態，將楚軍步兵、騎兵一分兩半，楚軍攻勢隨之被遷製。項羽不得已，隻好率殘存騎兵回師而去、救援步兵。
當得知左右軍完成迂回並發動了對楚軍後方步兵的進攻之時，韓信隨即組織反擊，並將劉邦主力以及所剩的全部中軍投入反衝擊。
漢軍向項羽和楚軍前鋒騎兵反撲而來，數十萬漢軍向楚軍發起了前後夾擊。項羽見勢不妙，立刻率全軍向反方向突圍，衝開漢左右軍的包圍，退回營中。
此戰，楚軍陣亡四萬餘，被俘兩萬，被打散兩萬，僅剩不到兩萬傷兵隨項羽退回陣中。
隨後，韓信率領全軍收攏此前被楚軍衝散的部隊，全數壓上，徹底包圍了楚軍大營。此間還殲滅了被打散的兩萬餘楚軍，沒有給項王收攏散兵的機會。至此垓下決戰到此結束。
垓下之戰，漢軍適時發起戰略追擊，積極調集援兵，多路圍攻，以絕對優勢兵力全殲楚軍，創造了中國古代大規模追擊戰的成功戰例。
垓下之戰，是楚漢相爭中決定性的戰役，它既是楚漢相爭的終結點，又是漢王朝繁榮強盛的起點，更是中國曆史上具有裏程碑意義的轉折點。它結束了秦末混戰的局麵，統一了中國，奠定了漢王朝四百年基業，因其規模空前，影響深遠，被列為世界著名古代七大戰役之一，有“東方的滑鐵盧”之譽。
垓下遺址即古戰場遺址，於1986年經安徽省人民政府批準為省級重點文物保護單位。