汉二年（前205年）五月，刘邦乘项羽深陷于齐国，无力抽身的机会，率领诸侯联军五十六万一举攻占西楚都彭城。短暂的胜利使刘邦失去理智，整日与诸侯喝酒庆祝。项羽闻之，急率轻骑兵三万回袭彭城，联军无备，一时被杀十万，溺水淹死十万，刘邦仅率数十骑逃脱，以汉为首的反楚联盟瓦解。

荥成对峙

汉二年（前205年）六月，刘邦率部退到荥阳，一路收集败兵，并派韩信、灌婴等在京索之战中击败了楚追兵，得以喘息，稳住了阵脚，遂重整军队，依托关中基地和有利地势与项羽长期抗争。7月，章邯终于兵败自杀，刘邦完全解除了后顾之忧；且在逃往荥阳前便派人说服英布反楚，联络彭越扰楚后方；派韩信开辟北方战场，攻魏，破代，灭赵。同年冬，项羽发动反攻，围困荥阳，形势十分危急。刘邦用陈平反间计，使项羽怀疑范增，不用其谋，迫使范增怒而归乡。纪信装扮成刘邦去楚军诈降，刘邦乘机逃出荥阳。项羽加紧围攻荥阳，并夺取成皋。

为了减轻楚军对荥阳的压力，刘邦率军经武关、宛（今南阳）、叶（今叶县南），想引诱项羽南下。[103]为配合汉军行动，此时韩信也率军到达黄河北岸，声援荥阳。彭越正在进攻下邳（今江苏邳州南）。项羽被迫率军回救，刘邦乘机收复成皋。汉三年（前204年）七月，项羽以凌厉攻势拔荥阳，再夺成皋。

鸿沟为界

刘邦一面命汉军在巩县一带坚守，阻击楚军前进，一面命韩信组建新军击齐，派人入楚腹地协助彭越进攻睢阳县、外黄县等地，再次迫使项羽回救。汉三年（前204年）十一月，刘邦用计收复成皋，斩杀了项羽大将曹咎。

项羽在击败彭越后，寻汉军主力决战不成，屯兵广武（今河南荥阳北）与刘邦形成对峙。不久，韩信在潍水之战中歼灭齐楚联军，完成对楚侧翼的战略迂回，又派灌婴率军一部直奔彭城。项羽腹背受敌，兵疲粮尽，遂与汉订盟，以鸿沟为界，中分天下，东归楚，西归汉。汉四年（前203年）十月，项羽引兵东归。

垓下之战

楚、汉订盟后，刘邦本想退兵，在张良、陈平提醒下，下令全力追击楚军。汉四年（前203年）十一月，两军战于固陵（今淮阳西北），项羽小胜。

汉五年（前202年）正月，刘邦、韩信统领三十万汉军与十万楚军于垓下（今AH灵璧南）展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔藂为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。

韩信挥军进攻，采用诱敌深入战术，前军先诈败，信引兵后退，命左、右翼军包抄攻击楚军后部步军。楚军久战疲劳后军迎战不利，汉军将楚后军与项羽前军骑士分割两半，韩信再指挥全军反击，楚军大败，阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。

后楚军退入壁垒坚守，被汉军重重包围。楚军兵疲食尽。汉军和诸侯联军将之重重包围，晚上四面传来楚国的歌声。致使楚军上下军心瓦解，项羽只有率八百人突围至乌江（今AH省和县境），这时项羽身边只剩下二十八骑，一亭长愿带项羽逃至江东重振霸业，遭项羽拒绝。项羽带着二十八骑大战汉军，在全军覆没后于乌江自刭而死。楚地自此归汉。随后，刘邦率军北上，招降鲁，并以鲁公之号将项羽葬于谷城。随后，刘邦还至定陶，驰入韩信军中，收夺其兵权。