漢五年前202年），劉邦趁項羽無備，楚軍饑疲，突然對楚軍發動戰略追擊。
劉邦約韓信從齊地，彭越從梁地南下合圍楚軍。
然而韓信和彭越並沒有前來會師。
劉邦追擊楚軍至固陵，楚軍反擊，劉邦大敗而歸。
為了讓韓信、彭越出戰，劉邦聽從張良之謀，劃陳縣以東至海邊廣大地區為韓信封地；封彭越為梁王，劃睢陽縣以北至穀城為其封地。
並且還要讓韓信指揮此次戰役。
如此一來，韓信，彭越率兵攻楚。
韓信從齊地南下，占領楚都彭城和蘇北、皖北、豫東等廣大地區，兵鋒直指楚軍側背，彭越亦從梁地西進。
漢將劉賈會同英布自下城父北上；劉邦則率部出固陵東進、漢軍形成從南、北、西三麵合圍楚軍之勢，項羽被迫向垓下退兵。
垓下之戰由此展開！
十二月，漢軍與楚軍決戰於垓下。
漢軍由韓信統領，共計三十萬，分為六個部分，孔將軍孔藂為左翼，費將軍陳賀為右翼，劉邦在其後，周勃、柴武在劉邦的部隊之後。
楚軍由項羽統領，共計約有十萬。
韓信先率前鋒與項羽交鋒，不利，向後退卻。
孔藂、陳賀從左右兩邊縱兵攻上去，楚軍不利，韓信乘勢再次攻上去，大敗楚軍於垓下。
楚軍大敗，退入壁壘堅守，被漢軍重重包圍。
楚軍屢戰不勝，兵疲食儘。
夜晚聽到漢軍從四麵傳來楚國歌聲，項羽大感震驚，認為楚國已經被漢軍全部占領。
韓信乘勢進攻，楚軍大敗，十萬軍隊被全殲，項羽逃至東城自刎而死。
垓下之戰充分體現了韓信的軍事才能。
雖說此次是三十萬大軍合為項羽十萬大軍，但如果換成其他人指揮此次戰役，很可能會失敗！
因為項羽本身的軍事能力就遠超常人，而且他帶領的十萬兵馬皆是精銳，常年征戰擁有很豐富的作戰經驗。
相比之下，韓信帶領的三十萬大軍很多都是剛剛招募的新兵，而且是多個勢力集結在一起，人心不齊，士兵的戰鬥力有高有低，韓信能統領這些兵馬戰勝項羽的精銳本身就是奇跡！
而且此戰的致勝點在於韓信的攻心之計！四麵楚歌可謂是兵不刃血，攪亂了項羽這些精銳的情緒，是華夏古往今來心理戰的典範！
項羽失敗後，劉邦立刻回到定陶，馳入韓信軍中，收奪了他的兵權，後改封韓信為楚王，定都下邳。
韓信到楚國後，召見當年給他飯吃的漂母，賞賜她千金。
他召見當年給他飯吃的南昌亭長時，賞賜給對方一百錢，並說：“你，是個目光短淺的人，做好事有始無終。”
隨後韓信又召見了曾經侮辱自己，讓他從胯襠下爬過去的人，封對方為中尉，並且告訴諸將說：“就是這位壯士，當他侮辱我時，我難道不能殺了他嗎？殺了他沒有正當理由，所以就忍了下來，這才讓我有了今天的成就。”
這些事情也說明韓信是個恩怨分明的人，他的心胸氣度也不是常人能比的。
不管彆人說他心胸狹隘也好，還是說他狂妄自大也罷，他隻按照自己的喜好行事，至於彆人的眼光，甚至自己的生死，其實都沒有那麼重要。
史書記載：韓信向來與項羽舊將鐘離眜交好。
項羽兵敗後，鐘離眜去投奔韓信，劉邦記恨鐘離眜，聽說他在楚國，便下令楚國逮捕。
當時韓信剛到楚國，巡行縣城鄉邑，進進出出都帶著軍隊。
漢六年十月前201年），有人上書控告韓信謀反。