項羽軍兵敗，再失彭城，今蘇北、皖北、豫東等廣大地區被漢軍占領之後，無法穩住局勢，隻得變主為客率領軍政官吏，攜大量貴重的物資，向東南方向撤退。此時，項羽軍更加陷入危機之中。11月，項羽率領近10萬軍隊向垓下地區敗走。到達垓下後，項羽與大將季布、鍾離昧等都認為垓下地區地形險要，可以防守，於是決定轉客為主，構築營壘，進行防禦，整頓部隊，恢複軍力，準備與漢軍在垓下地區決戰。此時，項羽軍的大致態勢是：季布軍在垓下以西以南地區；鍾離昧在垓下以東以北地區：項羽自率主力於垓下周圍地區。
韓信軍取得九裏山大捷、進占彭城後，得知項羽奉軍向彭城東南方向撤走，於是揮軍繼續向東南方追擊項羽軍。這時，楚之大司馬周殷叛楚，奉兵進占楚之六地，接著統率九江兵與將軍劉賈向北攻占城父。至此，漢軍、齊軍、九江軍及彭越的梁軍等四路大軍會師於垓下，對項羽軍進行重重包圍。當時漢軍及各諸侯軍的關係位置大致為：齊王韓信統率的齊軍駐於垓下的東北部地區；九江王英布指揮的九江兵駐紮在垓下的西南地區：梁王彭越指揮的梁軍則駐紮在垓下的北部地區。
漢方各路大軍在完成對項羽軍的包圍後，便加緊準備與項羽的最後決戰，以求徹底殲滅項羽軍。韓信為向垓下進攻，做了如下部署：將領孔熙軍為左路，將軍陳賀為右路，韓信自率主力在中路主攻。漢軍在韓信統率下，分路向垓下楚軍進攻。楚軍在項羽率領下，以主待客，奮勇力戰，多次擊退漢軍的攻勢，但由於項羽兵力已經有限，無力出擊漢軍，更難以迫使漢軍撤退，終於在漢軍多麵夾攻之下，退入營壘堅守，主客對峙。韓信軍遂以各路大軍，把項羽軍重重包圍。雙方交戰，為盡快將楚軍擊敗，張良建議劉邦采取以瓦解楚軍鬥誌為主的“攻心戰”，以楚方歸順人員和漢軍中善歌唱者，每夜高唱楚歌。
項羽兵困垓下，兵少食乏，處境更加險惡。前線堅守營壘的部隊，每日黃昏戰鬥停頓時，就會聽到楚歌。士卒聽到楚國歌聲，看到目前的處境，已大大地影響戰鬥意誌。早巳被漢軍收買的項王叔父項伯，力勸項羽夜間巡視軍營，使項羽聽到四周的楚歌聲，瓦解項羽的鬥誌。果然，項羽在聽到這些歌聲後，十分吃驚。他說：“難道漢軍已把楚國的地方全部拿下了嗎？為何他們會有這麼多楚人呢？”項羽麵對這種局麵甚為憂慮，半夜裏在營帳中飲酒解愁。
項羽有一位妃子虞姬，備受寵愛，時常跟隨在項王身邊。項羽還有一匹黑色的寶馬，名叫騅，是他最得力的戰馬。項羽邊飲酒邊悲涼地唱道：“力大能夠拔山啊，氣壯蓋過了全世，不料時勢不利啊，連烏騅馬也不濟！駿馬不濟了啊！那可叫我怎麼辦？虞姬啊！虞姬！怎麼能對得起你！”項羽接連唱了幾遍，虞姬也應和著一同唱。根據《史記正義》引《楚漢春秋》記載，虞姬當時也唱道：“漢兵已隨地，四方楚歌聲。大王意氣盡，賤妾何聊生？”唱罷，即自刎而死；項羽淚水湧，左右的人也都淚流不止，以致互相不能抬頭相看，氣氛甚為悲壯。
虞姬已死，項羽悲痛上馬出營，反主為客，率領部下800精銳騎兵乘夜突圍而去，次日天明，漢軍才得知項羽已經突圍，韓信急令灌嬰率領5000騎兵追去。由於項羽突圍之先頭騎兵疾馳而行，後續騎兵未能全部跟上，待項羽渡過淮水之後，僅跟上來百餘騎兵，項羽行至陰陵，迷失了方向，便向一個老農夫問路，老農夫騙項羽向左走。項羽於是向左急奔。但走不多遠，即陷入大水之中，行避艱難，很快被灌嬰的騎兵追上。項羽又引兵向東突進，至東城（今安徽定遠東南50裏）地區後，僅剩下28名騎士，而漢軍追兵竟有數千騎。項羽此時自料不能逃脫，便對跟隨他的騎士說：“我從起兵到現在已經8年。親身經曆過許多戰鬥，真是戰無不勝，攻無不克，從未打過敗仗，因此，做了天下的霸王。不料今天被圍困在這裏，這是天要亡我，並不是我在戰爭中的錯誤啊！”項羽接著又強調：今天要決一死戰，必須做到三戰三勝；潰圍（擊潰敵人，突出重圍）、斬將（殺敵將領）、刈旗（砍倒敵人的旗幟）。
項羽說完，將28名騎兵分作四隊，以客為主，分成四個方向，漢軍騎兵雖然包圍了數層，但項羽毫無懼色。項羽說：“吾為公取彼一將。”於是他命令騎兵堅決向敵衝殺，到達山下後，在山東分三處集合。項羽吩咐完畢後，即呼喊衝殺而下，將漢軍打得人仰馬翻，四處潰散，並斬殺漢軍騎將上千。項羽軍達山東三處集合後，漢軍再分三隊將項羽軍團團圍住，項羽又率兵衝殺，斬殺漢將一人，殺死漢軍百餘人。項羽又集中兵馬，結果發現僅亡兩騎。項羽得勝，乘漢軍混亂之際，衝出一條血路，向南疾走，準備渡過烏江。項羽到達烏江，烏江亭長撐船靠岸，等待項王上船，亭長對項王說：“江東地方雖然不大，但方圓也有千裏，有民眾數十萬，足夠建立霸業。請大王急速渡江，這一帶隻有我有船，漢軍到後將無船渡江。”