刘邦以韩信引兵三十万为前军，将军孔藂为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃、柴武布阵在后。项羽引兵十万，先与韩信大战，韩信军失利往后退却，令左右两翼包夹项羽军，项羽军抵敌不住，于是，往后撤，韩信趁机反击，项羽军大败，退到壁垒坚守，刘邦乘胜领大军将项羽重重包围。
项羽军在垓下，不但兵少，而且粮草不够，又被刘邦几十万大军包围，于是，率领八百骑兵趁夜突围，天亮后，汉军发觉项羽离去，于是，灌婴率五千精锐骑兵追击，等他渡过淮河，随从的骑兵只有一百多人了，来到阴陵时，项羽迷路了，他去问一个老农，老农回答：“往左边”。于是往左去，陷入了一片沼泽，耽误了时间。汉军追了上来，经过一场激战，项羽又往东去，到达东城的一座山上，只剩下了二十八骑，而追击的汉军却有数千人。
项羽自忖不能脱身，就部下说：“我从起兵到现在已经八年，经七十余战，抵挡我的人都被我攻破，我打击的人都表示臣服，未尝败北，遂称霸天下，现在困于此，不是我不会打仗，而是天要亡我。今日是要决死战了，我要为诸君痛快地一战，必定要胜利三次，为诸君击溃包围、斩将、砍旗，让诸君知道，是天要亡我，非我不会打仗。”
于是，他分骑兵为四队，此时，汉军围困数重，项羽对他的骑兵们说：“我为你们杀掉对方一将。”于是，他命令骑兵们分四面向山下冲，约在山东面会合。项羽大呼驰下，斩杀一汉将。赤泉侯杨喜追项羽，项羽大喝一声，杨喜的人马俱惊，退后数里。项羽与骑兵分为三队，汉军不知项羽在哪队，就也分三队包围。项羽飞驰而出，又斩杀一汉将，同时杀近百人，再会合骑兵，仅损失两骑，项羽问：“怎么样？”骑兵们钦佩地回答：“和大王说的一样” 。
项羽一路逃到乌江，遇见乌江亭长，亭长劝项羽可以回到江东以图东山再起，但项羽以无颜见江东父老为由拒绝，并将自己坐下马赐予亭长。于是，项羽下马步战，一口气杀了汉兵几百人，自己也受了十几处的伤。此时汉骑司马吕马童追来，项羽说：“你不是我的故人吗？”吕马童不敢正视项羽，指着同僚郎中令王翳说：“这就是项王。”项羽说：“我听说刘邦用千金买我脑袋，还可以食邑万户，我这就给你恩惠！”而后挥刀自刎。项羽的头颅被王翳取走，其余骑兵争相抢夺项羽尸体，以致有数十人死伤，最后郎中骑杨喜，骑司马吕马童，郎中吕胜、杨武各自得到项羽尸体一部分，都被刘邦封侯。
项羽死后，楚地都降汉，唯独项羽原来的封邑鲁地拒绝降汉。刘邦率领诸侯兵，拿着项羽的头颅去招降鲁地父老，使鲁地降汉。随后刘邦便以鲁公的规格安葬项羽于谷城。项羽的同姓宗亲都被赐姓为刘，余部必须直呼项羽的名字“项籍”才能被汉朝录用为官。
历史评价
楚国诸老将：项羽为人僄悍滑贼，诸所过无不残灭。
陈平：项王为人，恭敬爱人，士之廉节好礼者多归之。至于行功爵邑，重之，士亦以此不附······项王不能信人，其所任爱，非诸项即妻之昆弟，虽有奇士不能用，平乃去楚。
郦食其：项王有倍约之名，杀义帝之负；于人之功无所记，于人之罪无所忘；战胜而不得其赏，拔城而不得其封；非项氏莫得用事；为人刻印，刓而不能授；攻城得赂，积而不能赏：天下畔之，贤才怨之，而莫为之用。故天下之士归于汉王，可坐而策也。
高起、王陵：陛下慢而侮人，项羽仁而爱人。然陛下使人攻城略地，所降下者因以予之，与天下同利也。项羽妒贤嫉能，有功者害之，贤者疑之，战胜而不予人功，得地而不予人利，此所以失天下也。”
刘邦：项羽有一范增而不能用，此其所以为我擒也。
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