漢高帝五年(公元前202年)，劉邦趁項羽無備，楚軍饑疲，俄然對楚軍策動計謀追擊。約韓信從齊地(今山東)，彭越從梁地(今河南東北部)南下合圍楚軍。五年十月(漢初承秦製，十月為歲首)，韓信、彭越未能準期南下。劉邦追擊楚軍至固陵(今河南淮陽西北)，楚軍反擊，劉邦大敗而歸。
韓信連續滅魏、徇趙、脅燕、定齊，齊國安定以後，他派人向劉邦上書說：“齊國狡猾多變，是個幾次無常的國度，南邊又與楚國相鄰，如不設立一個代理王來統治，局勢將不會安寧。我但願做代理齊王，如許對情勢無益。”當時，項羽正把劉邦緊緊圍困在滎陽，情勢危急，看了韓信上書內容，劉邦非常憤怒，痛罵韓信不救滎陽之急竟想自主為王。張良、陳平暗中踩劉邦的腳，靠近他的耳朵說：“漢軍處境倒黴，如何能製止韓信稱王呢?不如就此機遇立他為王，好好善待他，使他自守一方，不然能夠產鬨事情。”劉邦經提示也明白過來，改口罵道：“大丈夫安定了諸侯，就做真王罷了，何必做個暫期間理的王呢？”因而派張良前去立韓信為齊王，征調他的軍隊攻打楚軍。
安定四國
五年十仲春，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等各路漢軍約計40萬人與10萬楚軍於垓下展開決鬥。漢軍以韓信率軍居中，將軍孔熙為右翼、陳賀為右翼，劉邦率部跟進，將軍周勃斷後。韓信揮軍打擊得勝，引兵後退，命左、右翼軍持續進犯。楚軍迎戰倒黴，韓信再揮軍反擊。楚軍大敗，退入壁壘死守，被漢軍重重包抄。楚軍屢戰不堪，兵疲食儘。韓信命漢軍士卒夜唱楚歌，歌雲：“民氣都向楚，天下已屬劉；韓信屯垓下，要斬霸王頭”導致楚軍士卒思鄉好戰，軍心崩潰，韓信乘勢打擊，楚軍大敗，十萬軍隊被全殲，項羽逃至東城自剄而死。劉邦因而還至定陶，馳入韓信軍中，收奪了他的兵權，後改封韓信為楚王，都下邳(今江蘇邳縣東)。
為變更韓信、彭越，劉邦服從張良之謀，劃陳(今河南淮陽)以東至海泛博地區為齊王韓信封地；封彭越為梁王，劃睢陽(今河南商丘)以北至穀城(今山東東阿南)，為其封地。由韓信批示此戰。韓、彭遂率兵攻楚；韓信從齊地南下，占據楚都彭城(今江蘇徐州市)和今蘇北、皖北、豫東等泛博地區，兵鋒直指楚軍側背，彭越亦從梁地西進。漢將劉賈會同九江王英布自下城父(今安徽亳縣城父集)北上；劉邦則率部出固陵東進、漢軍構成從南、北、西三麵合圍楚軍之勢，項羽被迫向垓下(今安徽靈璧南，一說今河南淮陽、鹿邑間)退兵。