劉邦兵敗逃離滎陽，一路狂奔，身邊隻有滕公一人逃到修武。修武是韓信，張耳的軍營，劉邦隻稱是漢王使者，騙過衛兵，直奔軍營，奪了韓信，張耳的軍權。派張耳留守趙地招收兵卒，派韓信東進攻打齊國。
劉邦取得了韓信的軍隊，重新振作起來，他率軍南下，臨近黃河，在小修武的南麵犒勞部隊，準備跟項羽再戰。郎中鄭忠勸說劉邦說：項羽士氣正盛，這時出戰沒有必勝的可能，應該加深壕溝，增高壁壘堅守，不與楚軍正麵作戰。
劉邦聽信了鄭中的計謀，派盧綰，劉賈率步兵兩萬人，騎兵數百名渡過白馬津，進入楚地，攜同彭越的軍隊在燕縣城西打敗了楚軍，攻下了梁地十多座城，截斷了楚軍糧道。
項羽一直想與劉邦決戰，劉邦卻深挖壕溝，加高營壘不與楚軍決戰。彭越大軍斷了楚糧道，又攻下梁地十幾座城。項羽想要平定梁地，又擔心劉邦偷襲他的營寨，就對大司馬曹咎說：我帶兵收複梁地，你們一定要小心守住成皋。如果漢軍挑戰，千萬不要應戰，隻要他們不東進就可以了。我十五天之內一定平定梁地，回頭再與將軍們會合。
項羽率兵去收複梁地，很快就把丟失的城池收回來。這期間，漢軍果然多次向楚軍挑戰，楚軍都堅守不出戰。漢軍派人陣前辱罵，接連五六天。大司馬曹咎氣憤至極，忍不住領兵橫渡汜水應戰。楚軍剛剛渡過一半，漢軍突然殺了過來，楚軍大敗，把楚軍囤積的金玉財物搶劫一空，軍隊也被打散了。大司馬曹咎，在汜水岸邊自殺了。
項羽平定梁地，到達睢陽，聽說大司馬曹咎兵敗，就率兵趕回來，但成皋已破。此時漢軍把楚將鐘離昧圍困在滎陽東麵。楚軍趕到，解了滎陽之圍。此時齊國已被韓信打敗，齊王田廣逃走。而楚將龍且援救齊國的軍隊也被韓信打敗，二十萬大軍覆滅。項羽有些驚慌。
楚漢兩軍久久相持不下，勝負未決，軍人厭戰，民不聊生。項羽要求與劉邦單挑決一雌雄，隔著廣武澗相互喊話，劉邦列舉項羽的十條罪狀，使項羽大怒，令預先埋伏的弓箭手開弓射中了劉邦，劉邦因箭傷臥床不起，為了穩定軍心，張良強請劉邦巡視部隊，慰問將士。
劉邦病愈後，西行入關，來到櫟陽，慰問當地父老，擺設酒席，並殺死了原塞王司馬欣，把他的頭懸掛在木杆上示眾。劉邦在櫟陽停留四天，又回到軍中，部隊駐紮在廣武。關中的軍隊出關參戰的有所增加，劉邦的軍事力量有所加強。
彭越又重新駐紮在梁地，來往襲擊騷擾楚軍，斷絕楚軍的糧食供給。齊將田橫前往梁地協助彭越抗楚。項羽多次攻擊彭越的軍隊，沒有取勝。此時齊王韓信也率兵攻打楚軍。項羽看自己兵力很難打敗劉邦，就與劉邦約定，平分天下，以鴻溝為界，鴻溝以西的地方劃歸漢，鴻溝以東的地方劃歸楚。項羽送回了劉邦的家屬，雙方罷兵，各自回到自己的營地。
楚與漢簽完平分天下的和約，項羽便率領楚軍東歸。劉邦也想率軍西歸，但張良，陳平不主張撤兵，應當趁楚軍兵疲糧儘之時消滅他，一統天下。劉邦采納了張良，陳平的建議，迅速調整隊伍追擊項羽，一直追到陽夏南麵才讓部隊停下來。並按劉邦與彭越，韓信約定的日期會合，共同攻擊楚軍。
當劉邦到達固陵時，韓信，彭越卻沒有按約定的時間會合。楚軍調頭迎擊漢把漢軍打個大敗，劉邦逃回營壘，深挖壕溝堅守不出。劉邦很生氣，對張良說：已經約定好了，韓信，彭越卻不來會合，害的我吃了敗仗。
張良說：韓信，彭越不來會合很正常，千裡率兵來攻打項羽，耗費軍需糧草，卻什麼好處撈不著，誰也不願意來。您應該劃分土地，誰打下來就歸誰，他們一定會來彙合的。
劉邦采納了張良的計策，派使去封韓信，彭越的土地，彭越，韓信果然如約會合了。又派人召黥布，劉賈，齊梁各諸侯的軍隊一起會師垓下，把項羽的部隊團團圍住，項羽插翅難逃。
漢王五年，劉邦和諸侯軍共同進攻楚軍，與項羽在垓下決戰。淮陰侯韓信率領三十萬大軍與楚軍正麵對陣，他的部將孔將軍在左邊，費將軍在右邊，劉邦領兵隨後，絳侯周勃，柴將軍跟在劉邦後麵。項羽的軍隊大約有十萬。
淮陰侯韓信首先與楚軍交鋒，楚軍拚死衝殺，韓信沒有占到上風，便慢慢向後退卻。這時左軍孔將軍，右軍費將軍，兩軍同時攻上去，楚軍見形勢不妙，想撤已經來不及了。淮陰侯乘勢再次從正麵攻上去，大敗楚軍於垓下。
項羽十萬雄兵，一代英豪，一旦戰敗也是不知所措。當夜晚聽到了漢軍唱起了楚地歌謠，思鄉心切，已經沒有了鬥誌。以為漢軍占領了全部楚地。項羽戰敗逃走，楚軍沒了靈魂，因此楚軍全線崩潰。
劉邦派騎將灌嬰追殺項羽，一直追到東城，殺了八萬楚軍，終於平定楚地。項羽衝出重圍，回頭看，跟隨自己衝出重圍的將士，已不足百人，項羽仰天長歎道：這是天要滅我啊！想我項羽自從起兵，攻無不克，戰無不勝。如今怎麼就走到這一步，真是可悲，可歎呀，說完拔劍自刎。
劉邦終於平定了楚地，隻有魯縣人沒有歸順劉邦，堅守城池。因為義帝當年封項羽為魯公，魯縣人為項羽守節，劉邦命人把項羽的人頭送給魯縣，魯縣人民才歸順漢王。
劉邦按照魯公這一封號的禮儀，把項羽葬在穀城。戰爭結束了，劉邦最不放心的就是韓信，他率隊馳馬到齊王韓信軍營，奪了韓信的兵權。
劉邦滅了項羽，統一了天下。諸侯及將相共同尊請漢王劉邦為皇帝。劉邦說：皇帝的稱號，隻有賢能的人，才有資格擁有，我可承擔不起皇帝尊號。大臣百般尊請，劉邦再三辭讓。實在推辭不過，隻好聽從安排。劉邦在汜水北麵登皇帝位。
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