漢高祖四年（前203）十月，韓信又指揮漢軍，大破齊都。十一月，齊漢濰水之戰時，韓信成功地運用沉沙斷流，半渡而擊的戰法，借抽掉上遊阻隔的沙袋而形成的河水衝擊力，分割、消滅援戰的楚軍，並一舉擊敗雙倍於己的齊楚聯軍20萬，齊王逃跑，齊將龍且戰死。這次戰役，重創楚軍主力，阻斷了楚軍的糧道，使項羽在戰爭中完全喪失了優勢和主動地位，在滎陽前線處於進退維穀的窘境。
垓下滅楚榮歸報恩
韓信連克魏、代、趙、燕、齊五國，戰領了長城以南、黃河以北和山東的大部分地區，如此輝煌的戰績使得霸王項羽十分擔憂，他派盱眙人武涉前去遊說韓信反漢聯楚，三分天下，但被韓信拒絕了。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。韓信雖然對蒯通的看法表示認同，但卻不忍背叛漢王；同時又認為自己為劉邦立馬汗功勞，他不會來奪取自己的齊國，於是沒聽蒯通的計謀。
公元前202年，漢王劉邦在固陵（今河南太康南）兵敗，用張良的計謀，把陳以東至傅海（靠近大海）之地割給韓信，睢陽以北至轂城之地封給彭越，征召韓信、彭越率兵會師垓下，與項羽決戰。
項羽率楚軍在垓下修築營壘與漢軍對峙，但因糧道被阻，糧草接應不上，形勢岌岌可危。韓信率領著30萬大軍獨當正麵，孔將軍居右翼，曹將軍居左翼，劉邦領兵在後，周勃、劉武跟在劉邦的後麵。韓信首先交鋒，不利，向後退卻，孔將軍、曹將軍縱兵夾擊，楚軍難以招架。韓信乘勢反攻，楚軍大敗。為了進一步瓦解楚軍，劉邦讓四麵包圍著楚軍的漢軍在深夜裏一起吟唱楚國的歌謠，勾起楚軍將士無限鄉思之情。聽到歌謠後，楚軍感到大勢已去，紛紛逃離。
項羽率麾下800餘精銳趁夜突圍南下。漢軍發現後令灌嬰帶領5000騎兵緊緊追趕。當項羽逃至烏江邊時，隻剩下為數不多的數十人。又與追兵奮力拚殺，殺死漢軍幾百人，身受10餘處傷，便舉劍自刎而死。
劉邦統一天下，在洛陽登帝位，封賞群臣之時，韓信被封為楚王，都下邳。下邳離韓信故鄉淮陰不遠，韓信衣錦榮歸，找到施食的漂母，贈以千金以報當年她施舍之恩。又找到侮辱過他的惡少，竟拜他為中尉。有人問他，為何還要將此人提拔任用，韓信說：“當年他羞辱我，我可以殺他，但殺之無名，不值得，隱忍下來才至發憤圖強，乃有今日，實在應該感激他。”
成敗蕭何冤屈而死
項羽兵敗後，他的亡將領鍾離昧因為素來與韓信關係很好，於是投靠了韓信。這引起漢帝劉邦的疑心，同時，又有人誣告韓信，說其有謀反之心。其實，那是韓信初到楚國，到各鄉邑巡察進出都派軍隊戒嚴，這也為好事者落下了口實。於是，劉邦就認為他有造反的嫌疑。漢帝乃采陳平之計，在一次巡遊雲夢會見諸侯的場合中，把韓信擒拿，立刻綁在車後載回洛陽。韓信高喊：“果然如人們所說，狡兔死，走狗烹，飛鳥盡，良弓藏，敵國滅，謀臣亡。”到了洛陽，劉邦查無實據，就釋放了他，貶他為淮陰侯。後來一同到了長安，韓信心灰意冷，常稱病不朝，見到周勃、夏侯嬰、樊噲等小心翼翼伺候皇帝，常露不屑之色。
漢高祖十一年（前196），代地相國陳豨造反，自立為王，劉邦親率大軍北征平叛。這時，呂後聞報韓信欲勾結陳豨謀反，於是和丞相蕭何定計將韓信誘騙至呂後所居的長樂宮，將其束手而擒，遂以勾結陳豨謀反罪名，立斬於宮中的鍾室內，並被夷滅三族。
可惜韓信，這位軍事奇才、建有蓋世功績、年輕的傑出將領，在功成之後，竟屈死於呂後之手。臨死前他悔恨萬分地說：“我真後悔當年沒有聽蒯通之言，不然也不會落入這小兒女子的圈套！