這時韓信率兵攻入齊地，占領齊地又南下楚地展開了進攻，直接攻入項羽的後方基地，彭越也在梁地困擾項羽的後方，並斷絕了楚軍的糧道。因而項羽軍心開始動搖，戰鬥力下降，項羽自知援絕糧盡，難以持久，於是決定與劉邦講和，雙方約定以鴻溝（大約從今河南鄭州市北麵經過開封至淮陽以南）為界，中分天下：鴻溝以西屬劉邦，以東歸項羽。
訂立條約之後，九月，楚歸還漢王的父親太公和漢王的妻子呂雉，漢軍軍中高呼萬歲。楚軍撤兵東歸，漢王也想按和約西歸。這時，張良、陳平出麵向漢王勸諫說：“漢已經占有天下的大半，而且諸侯又都相繼歸附；楚軍士兵疲憊，軍糧已盡，這正是上天滅亡楚國的時機。如今放任他們東歸，不予攻擊，這可是人們所說的‘養虎自遺患’啊。”
在楚漢相爭的轉折點，是張良、陳平對局勢的正確分析，使漢王沒有錯過這個由相持轉入反攻的良機。有利形勢的發展之快，由於決策上的正確，遠遠超出了漢王乃至於張良、陳平的預料。
漢王五年（前202年）十月，漢王率大軍追趕項王，到達陽夏（今河南太康縣）南麵時，漢軍駐紮下來。韓信、建成侯彭越各自率大軍前來，為對楚軍形成圍攻的形勢，漢王令齊王約定日期在楚地會合，組成聯軍，對楚軍發起圍攻。
自楚漢戰爭以來，漢軍除劉邦所直接統率的部隊外，由韓信所直接統率的部隊，破魏、破趙、破代、破齊，劉邦不止一次地抽調或剝奪韓信部下的精兵到滎陽前線與楚軍作戰，在楚漢戰爭中確實發揮了獨當一麵的重要作用。彭越自歸屬劉邦之後，在魏地（今河南）獨立作戰，遊擊楚軍，經常截斷楚軍向滎陽運送糧食的糧道，在楚漢戰爭中也發揮了獨當一麵的特殊作用。韓信和彭越所直接統率的兩支部隊，兵員眾多，訓練有素，戰鬥力很強，在楚漢戰爭中曾多次大敗楚軍，為漢王做出了重大的貢獻。就戰鬥力而言，劉邦所直接統率的部隊是比不上韓信、彭越所統率的兩支勁旅的。可以說，沒有韓信和彭越兩支部隊參與對楚軍作戰，漢王能否在楚漢戰爭中渡過難關，堅持下來並轉弱為強，是難以想象的。顯然，當項羽引兵東歸、劉邦率大軍追擊項羽之時，不借助於韓信、彭越的力量，也是難以取勝的。
漢王與韓信、彭越約定的會合地點是固陵（今河南太康縣南）。當漢王統率大軍到達固陵時，韓信和彭越卻按兵不動，沒有派大軍如期前往固陵。在這種情況下，項羽回師發起攻擊，大敗漢軍，漢王退入壁壘，深挖溝，高築壘，對楚軍采取守勢。固陵戰敗的事實再次表明：沒有韓、彭部隊的參戰，劉邦隻是憑自己所直接統率的部隊與項羽直接統率的部隊作戰，是敵不過項羽的。
在不利的形勢下，漢王一籌莫展地對張良說：“諸侯的軍隊不聽從我的調遣，這該怎麼辦才好？”
張良回答說：“楚軍兵疲糧盡，眼看就要敗亡，而韓信、彭越卻沒有得到分封的土地。韓信雖被立為齊王，但沒有明確為他劃歸所轄封地的疆界，他們的軍隊不按期到來是很自然的。君王如果能與他們共同分享天下，現在可以立即把他們招來；如果不能，事情的成敗就難以預料了。君王如果能把陳縣以東直到海濱的地區全部劃歸齊王韓信；把睢陽以北至穀城的地區全部劃歸建成侯彭越，使韓、彭二人為著自身的利益‘各自為戰’。這樣楚軍是很容易被打敗的。”
劉邦對張良的這個計謀連聲叫好，當即派出使者告知韓信、彭越說：“合力攻擊楚軍，楚軍破滅後，自陳縣以東直抵海濱的土地封給齊王，睢陽以北直到穀城的土地封給彭相國。”
使者到達後，分別向韓信、彭越轉告漢王的旨意，韓、彭二人都說：“請今日進兵擊楚。”
韓信率大軍從齊地向楚地進發，這時被劉邦封為淮南王的英布已進入九江國。十一月，劉賈率兵南渡淮水，圍攻壽春（今安徽壽縣），派人向楚國大司馬周殷誘降。周殷叛楚，用舒縣（今安徽廬江縣西南）的兵力屠滅了六邑（今安徽六安縣東北），率領九江國的部隊迎接英布，與英布合兵同行，屠滅城父（今安徽亳縣東南城父村）。於是，韓信、彭越、英布的部隊與劉邦所統帥的大軍全部會合於垓下（今安徽靈璧縣東南）。
項羽率楚軍到達垓下，由於兵少且軍糧已經用盡，與漢軍交戰而不能取勝，不得不退入壁壘之中。此時，劉邦已與各路諸侯會師，漢兵與諸侯兵把垓下楚軍重重包圍起來。
為瓦解楚軍軍心，漢軍戰士於夜間在四麵唱起了楚地的歌曲。寂靜的夜晚，陣陣楚歌時時傳來，由遠及近，忽高忽低，此起彼伏。歌聲把困在重圍之中的楚軍將士從困倦和睡夢中喚醒。楚兵們聽著那熟悉的家鄉歌曲，心想偌大的楚國，眾多的楚人，如今怎麼都變成了漢王的軍隊？這四麵的楚歌聲，不明明是從漢軍陣地上傳出來的嗎？
被圍的楚軍將士，大部是跟隨項羽轉戰多年，在所向無敵的統帥之下，人人如同猛虎，所向披靡。而如今，又都身陷重圍，糧食已盡，自知難以逃生。危難之中，昔日那備感親切的楚歌，今夜卻是那樣地淒涼，令人頓生絕望之念。確切地說，在四周的漢軍發起總攻之前，漢軍在四麵所唱起的楚歌聲，把楚軍將士以往的勇氣和信心即他們的靈魂給攝走了，似乎變成了六神無主的軀殼。總之，四麵的楚歌聲從思想上解除了楚軍的武裝。試想，在這種形勢和氣氛之下，楚軍將士還能夠像當年在巨鹿城下那樣“無不以一當十”“呼聲震天”嗎？
作為楚軍將士最高統帥的項羽，此刻正在軍帳中沉默無語。忽然間，他聽到壁壘四周傳來的楚歌聲，大吃一驚，說道：“難道楚地已全被漢軍占有了嗎？為什麼漢軍中有這麼多的楚人！”在四麵楚歌聲中，項羽覺得大勢已去。此刻，他感到身邊同他感情最深的，一是多年伴隨他經曆風雨的美人虞姬，一是多年來供他騎坐的、以“騅”命名的駿馬。酒酣之後，項羽起身慷慨悲歌，自己作詩吟唱道：
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！
項羽把這首自作的歌詞反複吟唱數遍，虞美人也含淚附和著伴唱。項羽這位一向出生入死的英雄，也不禁“泣下數行”。軍帳中的左右侍臣，曆來隻見過項羽指揮千軍萬馬，叱吒風雲，哪裏見到過統帥慷慨悲歌，泣下數行。麵對著這種場麵，那些視死如歸的壯年漢子，也不禁泣不成聲，不能抬起頭來再看統帥一眼。
在後人流傳和編寫的這段故事中，當項羽在慷慨悲歌之時，虞美人在軍帳中為項羽舞劍抒情，和項羽做最後的訣別，並自刎於項羽的麵前。
項羽心中明白虞美人自刎身亡的一片深情，是為了不給自己的突圍增加包袱，是提示自己應當立即衝出重圍，不可再在帳中延誤片刻。虞美人的行為，似乎給項羽以無窮的力量，使他重新振作起來。就在虞美人自刎的當天深夜，項羽帶領部下的壯士和騎兵800餘人衝出漢軍的重重包圍，向南方飛馳逃去。直到第二天天亮，漢軍才發現項羽已逃出重圍。劉邦得知項羽竟能從重重包圍中逃走，大為驚訝，立即令騎兵將領灌嬰率5000名騎兵緊追不舍。
項羽帶領隨從騎兵飛速急馳，天明後已渡過淮河，漢軍的騎兵哪裏能追趕得上。不過，能跟隨項羽的戰馬飛速奔逃的，此時隻剩下100餘名騎兵，其餘的都掉隊了。項羽逃至陰陵（今安徽定遠縣西北），這裏遠離垓下已有300裏的路程。慌忙之中，項羽迷失了道路，便向路旁田野中的一個老翁問路。這位“田父”可能是因為項羽殺害義帝對他懷恨在心，便欺騙項羽說：“往左走。”項羽向左奔走，結果戰馬陷入了一片沼澤之中。待項羽的百餘名騎兵從沼澤中掙紮出來的時候，灌嬰所率領的5000名漢軍騎兵已經趕到。項羽又帶領隨從騎兵向東逃走，他坐下的“騅”馬四蹄飛奔，塵土四起，到達東城（今安徽定遠縣東南）時，隻剩下28名騎兵了，而後麵追趕上來的漢軍騎兵卻有數千人。
項羽回首望去，見漢軍騎兵遮天蓋地般追來，塵埃四起。他考慮到一味奔逃已不是出路，便下令跟隨的騎兵停了下來，對28位騎兵說道：“諸位兄弟，我起兵至今已有8年了。8年之中，我身經70餘次戰鬥，凡是敢於抵擋的，無不被我擊破；凡是被我攻擊的，無不被我降服，從未曾有過敗陣，這才稱霸於天下。然而今天歸終卻被圍困在這裏，這是上天要滅亡我，並非是作戰上有什麼過錯。今日要決一生死，為諸君痛快地戰上一場，定要接連三勝敵人，為諸君表演潰圍（突破包圍）、斬將（斬殺敵將）、刈旗（砍斷敵軍旗幟），令諸君知道是上天要滅亡我，並非是作戰上有什麼過錯。”
於是，項羽把28名騎兵分為四隊，向四個方向衝殺。當時，漢軍騎兵已將項羽等人重重包圍，項羽對他的騎兵們說：“看我為你們斬殺他們的一將！”說完，令四隊騎兵四向衝擊，並約定到山的東邊分三處集合。於是，項羽大吼一聲，呼喊著乘戰馬急馳而下。項羽的兵馬所到之處，漢軍無不潰散，斬殺了一員漢軍將領。當時，漢軍的赤泉侯楊喜擔任騎兵將領，奉命追趕項羽。臨近項羽時，項羽怒目而視，大聲嗬斥，把楊喜的人馬嚇得退避到數裏之外。項羽與騎士們在山東麵的三處會合，漢軍弄不清項羽在哪一處，就兵分三路把騎士們重新重重包圍起來。項羽再次奔馳而下，又斬殺漢軍一名都尉，殺死百十個敵兵。當項羽把騎士再度聚攏在一處時，僅損失兩名而已。項羽向騎士們問道：“怎麼樣？”
“正像大王所說的那樣。”騎士們都佩服地回答。
項羽的潰圍、斬將、刈旗，使他和28名隨從騎兵，除損失二人外，已經衝出了漢軍的重重包圍。於是，項羽一行人馬飛速地來到了烏江（今安徽和縣東北的一段長江，江西岸有個渡口名烏江浦）邊上。項羽想渡長江，回到他起兵的江東（即長江南岸）。而烏江亭長此刻正把一隻小船停靠在岸邊，等待著項羽的到來。亭長對項羽說：“江東雖說狹小，但也地方千裏，民眾數十萬人，足以稱王於天下。願大王急速渡江。大江之上，現在隻有我這隻小船，漢軍趕到後，也無法渡江。”
麵對著長江的滾滾流水，項羽眼前再次浮現出8年前率領8000名江東子弟兵渡江反秦的雄偉場麵，那是何等壯烈！而如今，這8000名子弟兵都已捐軀沙場，無一生還，這如何向江東父老交待？想到這裏，英雄一世的項羽毅然地打消了想要“東渡烏江”的念頭，笑著對烏江亭長說：“上天要滅我，我還渡江做什麼！況且我項籍當年率領8000名江東子弟渡江北上，如今無一人生還。縱使江東的父老們憐愛我，擁戴我為王，我還有什麼臉麵去見他們？縱使他們不說我什麼，我項籍難道不獨自有愧於心嗎？”
項羽略微停頓了一下，抑製住自己激動的情緒對亭長說道：“您是位長者，我騎這匹戰馬已有5年，所向無敵，曾經一日行走千裏，不忍心殺掉它，就送給您吧。”
項羽把戰馬送給烏江亭長後，令騎士全部下馬步行，持短兵器同敵兵交戰。項羽把“騅”送給亭長，與漢騎兵步戰，表明他已不再想衝出重圍。在千軍萬馬的重重包圍中，項羽的神威有一半是借助他這匹駿馬，否則，他怎能衝出重圍？當然，項羽在步戰中也是無敵的。下馬步戰，“所殺漢軍數百人，項王亦身被十餘創。”看來，他無論如何也逃不出重圍了。這時。項羽回頭看見了他的舊日相識、現任漢軍騎司馬的呂馬童，說道：“你是我的熟人嗎？”呂馬童麵對項羽，指給王翳說道：“這就是項王。”
項羽對呂馬童說：“我聽說漢軍懸賞千金買我的人頭，封邑萬戶，今日我就給你們一些恩德吧。”說完，項羽自刎而死。
項羽自刎而死，王翳割取項羽人頭，其餘的騎兵互相踐踏爭奪項羽的肢體，相互殘殺而死的騎兵有數十人。結果，郎中騎楊喜、騎司馬呂馬童、郎中呂勝及楊武四人，各得項羽一肢體。五人把所得頭顱、四肢合在一起，正是項王的屍體。因此，漢王把封地分為5份，封呂馬童為中水（今河南獻縣西北）侯，封王翳為杜衍（今河南南陽市西南）侯，封楊喜為赤泉（今河南漸川縣西南）侯，封楊武為吳防（今河南省遂平縣）侯，封呂勝為涅陽侯。
項羽死後，楚地全部向漢軍投降，唯魯地（今山東曲阜市）不降。漢王率大軍想要屠城，兵至曲阜城下，還可聽到城中的弦歌誦讀之聲，認為魯人堅守禮義，為君主死節，便拿出項羽的人頭令魯人觀看。魯地父老見項羽已死，這才投降漢軍。當初，楚懷王曾封項羽為魯公。項羽死後，魯地最後投降，因而按照魯公封號應享有的禮義，將項羽安葬在穀城（今山東曲阜市西北的小穀城）。
項羽的各支宗族，漢王都不加以誅害，封項伯為射陽（今江蘇淮安縣東南）侯，封項襄為桃（今山東汶縣東北，一說為桃丘）侯，封項佗為平皋（今河南溫縣東）侯，但都賜姓為劉氏。
司馬遷作《史記》，為項羽作《項羽本紀》，與帝王的《本紀》並列，記載項羽一生的事跡。篇末，司馬遷寫了一段評論，評論說：
“我聽周生說過。舜的眼睛大概有雙瞳子，又聽說項羽也有雙瞳子，難道項羽是舜的後代嗎？為什麼興起得那樣的突然？當初秦朝政令有失，陳涉首先發難，豪傑蜂起，相互爭奪，不可勝數。項羽並非有尺寸的權力可以憑借，乘勢起兵於民間，曆時三年，終於統率五路諸侯滅秦，分裂天下，封賞王侯，政令自項羽而出，號稱霸王。王位雖未善終，但也是近古以來所未曾有過的。待到項羽放棄關中，懷戀楚國，驅逐義帝而稱霸於東方，埋怨諸侯們背叛自己，處境就愈發艱難了。項羽以戰功自誇，逞個人的智巧而不效法古人，認為霸王之業靠武力取得，想要以武力治理天下，不過五年便國家滅亡，自己也身死於東城，臨終尚不覺悟而責備自己，這是大錯而特錯了。然而竟借口‘上天要滅亡我，並非是作戰上的過錯。’難道不是太荒謬了嗎！”
漢王五年（前202年）十二月，項羽烏江自刎，漢軍平定楚地，漢王率軍歸還，到達定陶（今山東定陶縣西北）。在定陶，漢王再次采用突然襲擊的手段，急馳入韓信軍營，剝奪了齊王韓信對部下軍隊的指揮權。這就是漢王劉邦在消滅項羽之後所立即采取的一次異乎尋常的重大行動，也是劉邦在建立漢帝國前夕所采取的一項重大的斷然措施。
在項羽自刎、天下諸侯紛紛歸降漢王的時候，唯有臨江王共敖不降，漢王派盧綰、劉賈攻擊並俘虜了臨江王共敖。
正月，漢王在剝奪韓信的軍權之後，仍對韓信頗不放心，不願他領有齊國的大片封地。因為齊地東麵臨海，無後顧之憂。為防止韓信在齊地發展成為割據勢力，西向同他爭奪天下，漢王在剝奪韓信兵權後，隨即更立韓信為楚王，令他稱王於淮北地區，都於下邳（今江蘇睢寧西北），封地比在齊國的封地大大地縮小了。
同月，漢王向全國發布命令：
“天下連年戰亂已有八載，萬民百姓深受戰爭苦難；如今天下大事已畢，大赦天下死罪以下的囚犯。”
劉邦與項羽爭奪天下，其目的人所共知。當項羽被消滅，全國基本平定，特別是劉邦向天下發布大赦令後，諸侯王們馬上意識到，如今天下已經平定，大赦令已經頒布，漢王是準備即皇帝之位了。如不及早地尊漢王為皇帝，在名號上與漢王並列為諸侯王，日後還會有自己的安身立命之處嗎？於是，為確保自身的安危和既得利益，楚王韓信、韓王信、淮南王英布、梁王彭越、衡山王吳芮、趙王張敖、燕王臧茶7位諸侯王聯名向漢王劉邦上疏說：
“大王陛下，先時秦施暴政於民，天下群起而誅滅暴秦。大王最先攻入關中，接受秦王子嬰投降，安定關中，於天下各路諸侯中功勞最高。大王存亡國，繼絕世，定危救敗，功勞盛大，恩德厚重。又施加恩惠於諸侯王中的有功之人，使其得立社稷。如今各諸侯王的封地已經劃定，但位號與大王相比擬，沒有上下的分別。致使大王的昭著功德，不能宣明於後世。故冒死再拜上皇帝尊號。”
劉邦做皇帝夢已有多年，如今天下已定，當然希望早一天即皇帝之位。然而當諸侯王請他“上皇帝尊號”時，他卻故意虛偽客套地謙讓一番。劉邦說：“寡人聽說皇帝的名號隻有賢德的人才可享有，空有皇帝的名號而無有賢德之實，就不該稱皇帝，寡人不敢接受皇帝的名號。諸侯王都推舉寡人，這是將要把寡人置於何處？”
“大王起身於平民，誅滅暴秦，威名震動海內。又以偏僻之地，自漢中起兵，行威德於天下，誅滅不義，立有功之人為王侯。如今已平定海內，功臣都已受到封地食邑，並不以為私有。大王恩德施加於四海，諸侯王的名號已不足以稱道了，居帝位甚是名副其實，請大王以皇帝的名號臨幸天下。”諸侯王及眾將領無不堅持上皇帝尊號，再次申明理由。
漢王劉邦見諸侯王及群臣如此堅持尊自己為皇帝，心中十分高興。但是，表麵上他還是謙讓再三，最後似乎出於不得已地向諸侯王說：“諸侯王以為那樣會有利天下百姓，那就聽從諸君吧。”
於是諸侯王及太尉、長安侯盧綰等300人，與博士稷嗣君叔孫通謹擇良辰吉日，籌備漢王即皇帝之位的盛大典禮。
二月甲午日，諸侯王及群臣為漢王上皇帝尊號，漢王劉邦即皇帝位於汜水之陽（即汜水的北岸，在今定陶縣西北），尊王後呂雉為皇後，太子劉盈為皇太子，追尊已故母親為昭靈夫人。
劉邦於沛縣起兵的8年之後，終於當上了皇帝。劉邦即皇帝位於汜水之陽，它標誌漢帝國已經正式建立。繼秦王朝之後，中國曆史上又出現了一個新興的統一王朝——漢王朝。