楚汉相争，项羽和刘邦在广武对峙了将近一年后，双方于楚汉5年（公元前202年）8月约定约定以鸿沟（在今河南荣县境贾鲁河）为界，“中分天下”，“割鸿沟以西者为汉，鸿沟而东者为楚”，互不侵犯。
项羽依言，往东边撤军。汉军这边则有张良、陈平献计趁机击楚，曰：“今汉有天下太半，而诸侯皆附；楚兵罢，食尽，此天亡之时，不因其几而遂取之，所谓养虎自遗患也。”意思是项羽军队的军粮即将吃尽，楚国败亡的天象也已经显示，汉军应该趁此天时之利消灭项羽，避免日后楚军重整兵力，成为祸患。
刘邦听从张良和陈平的计策，决定袭击楚军。然而单凭刘邦一人之力，无法成此大事，所以刘邦派遣使者前往齐、魏，与韩信、彭越相约，共同出兵击楚。
楚汉5年10月，刘邦的军队追至阳夏（今太康县），项羽得知刘邦背信，领着10万大军攻打刘邦，刘邦军队抵挡不住项羽的攻击，退到陈下（今淮阳县），两军在陈下对峙。
此时韩信从齐国出兵南下，一路势如破竹，击败楚军于彭城、萧（今苏北萧县）、酂（今豫东永城西南）、苦（今豫东鹿邑之东），直逼楚军后方，并与刘邦的军队夹击项羽。11月，韩信再度统领齐、汉大军向东追击楚军，项羽军力不敌，退走垓下（今安徽灵壁县东南）。
项羽企图在垓下与韩信率领的齐、汉等国的30万联军做一绝战，而韩信这边也布置好阵势：孔将军居左，费将军居右，韩信自己则为中军主将。双方开战，韩信以诱敌的策略使项羽军队前来追击，待楚军深入阵地，再命孔、费二将左右包夹，而且韩信自己率领的中军也同时回攻，形成三面包围楚军之势。
韩信为使楚军军心涣散，用了“攻心”的战术。他命汉军在夜间高唱楚歌。楚国的士兵因疲于争战，此时军营里四面楚歌，其声凄凄，回荡不绝，众人不禁勾起思乡的情绪，就是平时意气风发的项羽也闻之丧志，感慨时不我予：“力拔山兮，气盖世。时不利兮，骓不逝。骓不逝兮，可奈何。”而他最心爱的虞姬也体认到大势已去，叹道：“汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生。”说完，便拔剑自尽。
英雄末路的项羽，握著一柄宝剑，骑上乌骓马，带了几名兵卒冲出重围，行至乌江，感叹自己再也无脸回去见江东父老，于是自刎于江边。项羽24岁就与叔父项梁带军征战，其间大大小小的战役，莫不所向披靡，叱咤风云。如今壮志未酬，一代枭雄竟以31岁英年从历史舞台退场。
项羽死后，历时5年的楚汉相争也终告落幕，而刘邦就靠着韩信兵战四方，张良、萧何献策辅佐，建立起来了汉朝帝国，天下再度归于统一的局面。