鴻溝原名廣武澗，是戰國時期魏國開鑿的水利工程，在河南中部溝通了黃河水係和淮河水係。鼎盛時期，鴻溝寬、深各達百米，溝內水流迅猛，很適合作為兩軍、兩國的分界線。
鴻溝之盟定約後，項羽很快按約引軍東歸。他頭腦簡單的弱點再一次暴露了出來。一個盟約能否得到遵守，隻有定約方自己心中明白。對於劉邦這樣的對手，項羽理應多加防備。可他卻放心地釋放了劉邦的父母、妻子和兒子，在劉邦大軍沒有撤退的情況下主動率軍撤出了陣地，踏上了回家之路。撤退路上，數十萬的楚軍連相互掩護都沒有。項羽為什麼就這麼相信劉邦呢？
定約的第二天，劉邦就采納張良、陳平的建議，調集兵馬準備追擊項羽了。他太了解項羽簡單的思維了，也深知一旦項羽整頓好內部，那就是放虎歸山後患無窮了。所以，劉邦安排韓信、彭越的部隊從北邊，叛楚附漢的九江王英布的部隊從南邊，配合劉邦本部兵馬從西邊，三麵合圍項羽。
項羽猝不及防，被殺得大敗，前無進路後有追兵，不得不向東南方向潰敗。當年十二月，劉邦、韓信、彭越、英布等各路漢軍約40萬人與項羽的10萬楚軍在垓下（今安徽靈璧東南）展開了決定命運的大決戰。韓信的一招“十麵埋伏”贏得一仗後，劉邦陣營又連施計謀。一天深夜，漢軍營中傳來陣陣楚歌，楚軍將士認為楚地都被漢軍占領，軍心渙散。許多人開小差當了逃兵或者投降漢軍。眼看著眾叛親離、敗局已定，項羽對比往日的輝煌和眼前的淒涼，慷慨悲歌：“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！”他最寵愛的虞姬為了不拖累項羽突圍，自刎而死。當夜，項羽率800多騎兵趁夜色向南突圍而出。5000漢軍騎兵在後緊追不放。且戰且逃，項羽渡過淮河，身邊隻剩百餘人。途中，項羽等人不識路，向一個老農問路。老農認出了殺戮過重的項羽，故意把他們100多人騙入沼澤。項羽因此被漢軍追上。在最後的肉搏戰中，項羽身邊從100多人減少為28人，又再減少為26人，最後在烏江（今安徽和縣，一說安徽定遠）全軍覆沒，隻剩傷痕累累的自己。當時有一個亭長駕船來請項羽返回江東以圖東山再起。項羽遠眺江東，遙想當年自己叔侄倆率8000江東子弟起兵，如今全軍覆沒，感到無臉見江東父老，便在江邊自刎而死。
著名詞人李清照曾讚歎項羽的最後一幕：“生當作人傑，死亦為鬼雄。至今思項羽，不肯過江東。”後人對項羽為什麼“不肯過江東”意見存在分歧。有人認為項羽是無臉麵回去，有人是覺得項羽對前途已經失望了，也有人覺得那個亭長的邀請是諷刺嘲笑項羽。不管怎麼說，隻要項羽還是項羽，他就不會忍辱偷生，逃回江東。性格決定命運。
自刎前，項羽殺死數以十計的漢軍追兵，血染戰袍。漢軍隻敢遠遠包圍他，不敢靠近。項羽看到了包圍自己的漢軍中有老朋友呂馬童。他慘淡地對呂馬童說：“聽說劉邦用千兩黃金、萬戶侯爵的獎賞來征求我的首級。我就做個人情給你吧。”項羽死後，屍體遭到哄搶。漢軍將領為爭奪屍骸互相殘殺。後來，王翳砍下了項羽的首級，呂馬童、楊喜、呂勝、楊武四人各得四肢。劉邦分封五人為侯。
關於這個砍下項羽一條手臂的呂馬童，這裏再多說幾句。他是項羽的吳中同鄉，原名呂伯子，出身卑微，但從小就夢想：“人生一世，不錦衣玉食，枉為人矣。”旁人都笑話他：“不意貧兒有此癡想。”項梁、項羽起兵的時候，呂伯子參軍相從，曾經在一次戰鬥中斬首12級。項羽很欣賞他，讓他做了自己的馬童。所以呂伯子改名呂馬童。呂馬童開始很感激項羽的知遇之恩，曾對人說自己的一切都是項將軍所賜，還像伺候母親一樣伺候項羽的坐騎。但呂馬童參加起義是抱著很現實的功利思想來的。見項羽不斷勝利，呂馬童很高興，認為自己加爵封侯很有希望。可秦亡後，項羽並沒有給呂馬童封侯（事實上，分封諸侯也輪不到一個馬夫）。呂馬童就此怏怏不樂，加上項羽受陳平離間詭計後楚軍人人自危，呂馬童幹脆投奔劉邦，做了漢軍郎中。西漢成立後，呂馬童成為吳中侯，衣錦還鄉，著實風光了一把。不想有一天，呂馬童午睡中突然驚醒，大喊：“我有罪，背主忘恩，豬狗不如！”說完，呂馬童氣噎而亡，隻有35歲。
項羽死後，西楚各地紛紛投降劉邦，隻有魯地遲遲不投降。項羽曾經被楚懷王封為魯公，所以魯地堅持服從項羽。後來漢軍出示了項羽首級，魯地才投降。楚漢戰爭以劉邦的勝利結束。
項羽自刎前曾感歎：“天亡我，非戰之罪也！”被稱為西楚霸王的項羽打起仗來，是一等一的好手。他的失敗的確不是戰爭的失敗，可也不是天命所為。項羽輸在自己的頭腦簡單和缺乏領導素質上，輸在機械地遵守鴻溝之盟上，更輸在一個機警多變、務實耍賴的對手手上。