漢尼拔之弟馬戈為了取得對羅馬戰爭的勝利，在前203年率軍翻越亞平寧山脈進入波河流域。在那裏，他的戰象以三萬之眾衝垮羅馬騎兵，挽救了迦太基步兵。然而，次年，漢尼拔的軍隊卻在納拉加拉被西庇阿徹底擊敗。
漢高帝四年（公元前203年）八月，項羽、劉邦的軍隊已經在滎陽，成皋相持了兩年零四個月。項羽自知腹背受敵、糧盡兵乏，形勢對他極為不利，因此，被迫主動求和。雙方訂立和約，中分天下，以鴻溝為界，東歸楚、西歸漢。九月，項羽撤軍東歸。
劉邦也打算按照和約，向西撤退。但是，張良、陳平一致認為，此時項羽兵困糧盡，正是滅楚的最佳時機，應該乘勝追擊消滅楚軍，如若不然將後患無窮。劉邦采納了他們的建議，遂停止撤軍，趁項羽退軍之時，向楚軍發動了戰略追擊，並約韓信、彭越南下，合力殲滅楚軍。
漢高帝五年（公元前202年）十月，劉邦追擊項羽軍至固陵（今河南淮陽北），但是韓信、彭越卻按兵不動，沒有如期南下。項羽對劉邦的毀約行為深感痛恨，因此趁韓信、彭越兩軍未到，親率大軍向劉邦發起了進攻。漢軍因沒有防備，被楚軍打敗，漢軍退入壁壘，固守待援。而項羽沒有乘勝圍殲劉邦軍，從而使漢軍有了喘息待援的機會。
韓信從齊地南下向楚都彭城進攻，很快占領了彭城，之後又迅速占領了今江蘇北部、安徽北部和河南東部等廣大地區，直逼項羽側背。劉邦見形勢好轉，率軍從固陵向東挺進。項羽在韓信、劉邦的夾擊之下，隻得向彭城東南方向逃去，韓信繼續向東南追擊。與此同時，彭越率軍從梁地向西進，漢將劉甲與九江王英布向北進軍。項羽軍已經處於漢軍的多方夾擊之中，隻得退往垓下地區。項羽與諸將認為垓下地區地形險要，易守難攻，於是構築營壘，整頓軍隊，季布軍安置於垓下以西、以南地區，鍾離昧安置於以東、以北地區，自己率主力居於垓下中部地區，決定與漢軍決一死戰。各路漢軍在完成了對楚軍的各方包圍之後，也加緊準備與楚軍的最後決戰。
十二月，雙方在垓下展開了決戰。韓信首先向項羽大營發起進攻，卻首戰失利，在左、右翼的夾擊下，才引兵後退。楚軍盡管曾多次擊退漢軍的進攻，終因兵力有限，屢戰屢敗，無力出擊，也突圍不出去，隻得退入壁壘堅守。漢軍各路把楚軍重重包圍，雙方處於對峙狀態。為了盡快擊敗楚軍，徹底瓦解楚軍的戰鬥力，劉邦接受張良的建議，讓漢軍中會唱楚歌者夜唱楚歌，以此來勾起楚軍士卒的思鄉之情，從而瓦解其軍心。此時，項羽軍中糧食已經用盡，楚軍士卒聽到四麵的楚歌，想想自己目前的處境，更加思念家鄉和親人。於是楚軍士卒再也無心作戰，紛紛逃出楚營，投降了漢軍。就連項羽的叔父項伯，也偷偷地投降了漢軍。而項羽聽到這四麵的楚歌，以為楚國的地方都已經讓漢軍占領，更加灰心喪氣，這就是“四麵楚歌”的由來。項羽看到將士們紛紛投降漢軍，知道大勢已去，非常傷心，在營中飲酒解愁，並一邊飲酒一邊悲涼地唱起了歌，項羽最寵愛的妃子虞姬也應和著一同唱。虞姬唱完後，便自刎而死，項羽頓時淚如泉湧，更加悲痛，剩下的將士們也忍不住一片悲聲。
虞姬已死，項羽隻好強忍悲痛，率領手下八百精銳騎兵乘夜突圍。次日黎明，韓信才得知他已經突圍出去，立刻命令五千騎兵追擊。項羽流過淮河，身邊隻剩下一百餘人，因迷路而被漢軍追上。經過激戰，項羽向南到達長江北岸的烏江，他自知無顏再見江東父老，又不願束手就擒，便自刎而列。
垓下之戰是楚漢戰爭的最後一次決戰，漢軍殲滅全部楚軍，至此，曆時四年半的楚漢戰爭結束，劉邦取得了楚漢戰爭的最後勝利。同年六月，劉邦稱帝，統一的西漢王朝正式建立。