他告誡將士：“趙軍見我軍出擊，一定傾巢而出，你們就乘機迅速衝入趙軍營地，拔掉趙國旗幟，插上漢軍紅旗。”隨後，他又命令副將傳令大家：“今天打敗趙軍之後會餐。”將士們誰都不相信，隻好假意稱是。
韓信又召集將領們分析敵情，韓信認為：趙軍已先占據了有利的地勢，他們在未見到漢軍大將旗鼓之前，定會擔心我們遇到阻險而退兵，是不肯輕易發兵攻打我們的。於是，韓信派1萬人為先頭部隊，背靠河水擺開陣勢。
趙軍見漢軍擺出隻有前進而無退路的絕陣，都大笑不已。
天剛亮，韓信打起了大將軍的旗號和儀仗鼓吹，擊鼓進軍井陘口。趙軍果然出營迎擊，大戰良久，韓信棄鼓旗，佯裝打敗，退到井陘的河邊軍陣之中。
趙軍見狀，立刻傾巢而出，追逐韓信，爭奪漢軍丟下的旗鼓。韓信退入河邊陣地。
這時，韓信所派的2000輕騎兵等趙軍傾巢而出追擊漢軍，爭奪戰利品的時候，立即衝入趙軍營壘，拔掉趙軍旗幟，豎起2000麵漢軍的紅旗。
趙軍在河邊久戰韓信不勝，就想退回營壘，卻見營中遍是漢軍紅旗，各個大驚失色，認為漢軍已經把趙王及其將領全部俘虜了，於是陣勢大亂，四散奔走逃命。趙軍主將斬殺數人，竭力阻止，卻不見成效。
這時，漢軍突然兩麵夾擊，大破趙軍，活捉了趙王歇。韓信大獲全勝，諸將前來祝賀，無不佩服韓信的用兵之術。隨後，韓信又引兵東進擊齊。
這時齊國已決計降漢，對漢軍的戒備鬆懈，韓信乘機襲擊了齊駐守在曆下的軍隊，隨後一直打到臨淄。齊王田廣驚恐，逃到高密後，派人向楚求救。
韓信襲破趙國的臨淄，項羽聞訊後，遣大將龍且親率兵馬與齊王田廣合力抗漢，號稱20萬眾。有人建議龍且深溝高壘，以守為攻。
龍且輕視韓信，又急求戰功，不用此計，率兵與韓信軍隔濰水東西擺開陣勢。
韓信連夜派人做了1萬多條袋子，盛滿沙土，壅塞濰河上流。率一半軍隊涉水攻擊龍且的陣地。
龍且出兵迎擊，韓信佯裝敗退。龍且以為韓信怯弱，率軍渡江進擊。這時韓信命人決開壅塞濰河的沙袋，河水奔流而至，龍且的軍隊無法渡河。韓信揮軍猛烈截殺，殺死龍且。
東岸的齊、楚聯軍見西岸軍被殲，便四處逃散。韓信趁機率軍渡水追擊至城陽，楚兵皆被俘虜。齊王田廣逃走不久被殺。公元前203年，齊地全部平定。
韓信平定齊國之後，派人向劉邦上書說：“齊國狡詐多變，是個反複無常的國家，南邊又與楚國相鄰，如不設立一個代理王來統治，局勢將不會安定。我希望做代理齊王，這樣對形勢有利。”
劉邦見信後，派張良前去立韓信為齊王，並征調他的部隊攻打楚軍。
齊國失利，龍且戰死，使項羽非常恐慌。派人前去遊說韓信反漢與楚聯合，三分天下稱王齊地，結果被韓信謝絕。
遊說失敗後，齊人蒯通知道天下大局舉足輕重的關鍵在韓信手中，於是用相人術勸說韓信，認為他雖居臣子之位，卻有震主之功，名高天下，所以很危險。蒯通終於說得韓信心動，但韓信猶豫不決，不忍背叛劉邦，又自以為功勞大，劉邦不會來奪取自己的齊國。於是，韓信最後沒有聽從蒯通的計謀。
公元前202年，劉邦趁項羽無備，楚軍饑疲，突然對楚軍發動戰略追擊。同時約韓信從齊地南下合圍楚軍。
韓信未能如期南下，劉邦追擊楚軍至固陵，楚軍反擊，劉邦大敗而歸。
為調動韓信，劉邦聽從張良之謀，劃陳以東至海廣大地區為齊王韓信封地。同時，又封彭越為梁王，並由韓信統一指揮，韓、彭遂率兵攻楚。
韓信從齊地南下，占領楚都彭城和今蘇北、皖北、豫東等廣大地區，兵鋒直指楚軍側背。彭越也從梁地西進。與此同時，漢將劉賈會同九江王英布自下城父北上；劉邦則率部出固陵東進。至此，漢軍形成從南、北、西三麵合圍楚軍之勢，項羽被迫向垓下退兵。
公元前202年12月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等各路漢軍約計40萬人，和項羽的10萬楚軍於垓下展開決戰。
漢軍以韓信率軍居中，將軍孔熙為左翼、陳賀為右翼，劉邦率部跟進，將軍周勃斷後。韓信揮軍進攻失利，引兵後退，命左、右翼軍繼續攻擊。楚軍迎戰不利，韓信再揮軍反擊。楚軍大敗，退入壁壘堅守，被漢軍重重包圍。
楚軍屢戰不勝，兵疲食盡。韓信命漢軍士卒夜唱楚歌，歌中唱道：
人心都向楚，天下已屬劉；韓信屯垓下，要斬霸王頭。
歌詞極具煽惑性，加之曲調幽咽，致使楚軍士卒思鄉厭戰，軍心瓦解。韓信乘勢進攻，楚軍大敗，10萬軍隊被全殲。項羽逃至東城自剄而死。
劉邦於是還至定陶，馳入韓信軍中，收奪了他的兵權，後封韓信為楚王，都下邳。
劉邦對韓信的軍事才能心懷疑慮，生怕他造反，無人能敵。謀士陳平便給劉邦出主意，讓他假稱巡遊南方，然後借韓信朝見的時候誘捕他。劉邦采納了陳平的建議，動身去南方巡遊。
劉邦來到韓信封地的邊境，派使者去讓韓信來接駕。韓信覺察了劉邦的意圖，但覺得自己並沒有做什麼對不起劉邦的事，就坦然去見劉邦。
韓信剛到劉邦的住處，劉邦不容分說，就把他押了起來。劉邦把韓信押回了長安，但實在沒有找到他謀反的證據，沒有理由殺他，所以隻好削奪了他的王位，改封他為淮陰侯。
韓信知道劉邦想殺他，所以經常稱病而不去上朝。在被軟禁的時間裏，韓信與張良一起整理了先秦以來的兵書，共得182卷，這也是我國曆史上第一次大規模兵書整理，為我國軍事學術研究奠定了科學的基礎。同時還收集、補訂了軍中律法。著有兵法3篇，可惜已經散佚。
公元前196年寒冬正月，武士把韓信捆縛起來，在長樂宮中的鍾室裏斬殺了他。
韓信臨斬時說：“我當初沒聽蒯通的計謀，現在反被陷害，簡直是天意！”