陷入重圍
首先，韓信率主力大軍先向楚軍發動挑釁性進攻。項羽立刻率10萬楚軍發動中央突破作戰，矛頭直指韓信本部。項羽親自率軍出擊，衝鋒在前，楚軍以騎兵在前、步兵在後隨其衝鋒。漢軍接戰，前陣立刻被擊潰。韓信立刻命令大軍後撤，以30萬大軍為屏障掩護指揮部和劉邦的10萬人馬向後退去。漢軍且戰且退，楚軍則是繼續孤注一擲地瘋狂突擊，項羽本人更是一馬當先，衝鋒速度之快甚至將10萬楚軍將士統統甩在了後麵，連楚軍騎兵都沒有一人能趕上。一路上，漢軍如烏雲一般層層疊疊，一眼望去，漫山遍野。項羽率10萬將士猛打猛攻，連破漢軍數道防線，30萬大軍潰散一半多，一路之上無人能擋，直殺向韓信的指揮部。而另一方麵，當韓信以前軍為屏障掩護劉邦軍回撤退避的同時，孔熙、陳賀所率的左右兩軍也從楚軍左右兩側進行著迂回機動，其目的便是為了牽製楚軍，進攻其側翼、分離楚軍騎兵步兵之間的配合，阻滯楚軍進攻速度。
經過半日廝殺，楚軍殺敵無數，韓信的前軍幾乎被打光了，但項羽依然沒能突入漢軍指揮部，韓信始終不斷地向後退卻，始終沒有出現在項羽麵前。而項羽過於猛烈的衝鋒，卻明顯拉開了軍隊前後的距離。此時的楚軍，項羽本人脫離全軍衝鋒在前、衝開漢軍一道道防線；後麵是速度較快的主力騎兵急趕項羽，並砍殺被項羽衝亂的漢軍；而最後麵的是速度最慢的步兵部隊，他們與未被騎兵殺死的漢兵一邊廝殺一邊繼續追趕騎兵。楚軍隊形越來越散、越拉越長，已經漸漸失去了緊密的隊形和互相之間的配合。
戰至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂回急進，終於完成了前後夾擊之勢。漢軍左右軍開始了對楚軍後方側翼的進攻，以緊密的陣形兩麵壓來，迅速合圍了落在後麵的楚軍步兵。楚軍將士殊死抵抗，兩軍將士立刻陷入混戰狀態，而楚軍步兵、騎兵一分兩半，他們的攻勢隨之減慢。項羽不得已，隻好率殘存騎兵回師救援步兵。
當得知左右軍完成迂回並發動了對楚軍後方步兵的進攻之時，韓信隨即組織反擊，並將劉邦主力以及所剩的全部中軍投入反攻。
漢軍向項羽和楚軍前鋒騎兵反撲過來，數十萬漢軍對楚軍發起了前後夾擊。項羽見勢不妙，立刻率全軍向反方向突圍，衝開漢左右軍的包圍，退回營中。此戰，楚軍陣亡4萬，被俘2萬，僅剩不到4萬傷兵隨項羽退回陣中，漢軍亦傷亡十幾萬，付出了遠高於楚軍的代價。
隨後，韓信率領全軍，徹底包圍了楚軍大營。
英雄末路
楚軍主力被困在垓下，一曲楚歌，士卒相繼逃去。項羽無計可施隻有在帳內飲酒。愛妃虞姬聽到四麵楚歌，知道大勢已去，乃泣而歌之：“漢兵已略地，四方楚歌聲，大王意氣盡，賤妾何聊生”，歌罷，遂伏劍自刎。
虞姬死後，項羽從垓下突圍，麾下從騎八百餘人。這時，隻有東南未被漢軍堵死，因此，楚軍向東南奔去渡淮河至陰陵（今安徽定遠西北）迷路，經一農夫引路，誤入大澤。
項羽敗至烏江，這就是他的最後時刻。烏江亭長已泊舟待渡，本可安全回到江東的項羽，這時卻沒有登舟。他認為自己的失敗，是“天亡我，非戰之罪也”。想當年率8 000子弟兵渡江西征，今卻無一生還，項羽認為即使江東父老能夠同情他，擁他繼續為王，他也無麵目再見鄉親。於是項羽毅然衝人漢軍陣中，殺死漢軍數百人之後，從容地自刎而死。
垓下之戰，漢軍適時發起戰略追擊，積極調集援兵，多路圍攻，以絕對優勢兵力全殲楚軍，創造了中國古代大規模追擊戰的成功戰例。垓下之戰，是楚漢相爭中決定性的戰役，它既是楚漢相爭的終結點，又是漢王朝繁榮強盛的起點，更是中國曆史上具有裏程碑意義的轉折點。它結束了秦末混戰的局麵，統一了中國，奠定了漢王朝四百年基業；因其規模空前，影響深遠，被列為世界著名古代七大戰役之一，有“東方的滑鐵盧”之譽。