汉五年（公元前202年）十二月，垓下之战爆发，楚汉两军在垓下（今安徽省灵璧县东南沱河北岸）展开决战、一决生死。
诸侯共讨项羽
正如前文所言，此时的局势对项羽极为不利。项羽是在粮食告急，无奈与刘邦签订合约的条件下撤军的，而刘邦则撕毁条约率军追击，加上韩信从齐地出兵、彭越从梁地出兵、英布从九江出兵，可以说项羽已经陷入了内无粮草、外无援军的极为危险境地。
战争背景
公元前202年10月，汉将灌婴领兵攻向彭城，一连攻占包括彭城在内的西楚多座城池。英布则派人进入九江地区，诱降楚将大司马周殷，与之合兵攻向城父方向。刘邦则由固陵率兵东进。（如下图，紫色为汉军，蓝色为楚军）
垓下之战示意图
项羽虽然初期在固陵击败刘邦，但面对汉军从各地发动的进攻，仍然无法扭转局势，无奈之下选择东南方向撤退。11月，项羽退至垓下，修筑防御工事，整顿兵马，意图再战，此时楚军尚有十万人马。
战争经过
公元前202年12月，韩信、彭越、英布与刘邦会合，在垓下将十万楚军层层包围。韩信亲率30万人为主力，蓼侯孔藂率军为左翼，费侯陈贺率军为右翼，刘邦则坐镇后方，周博、柴武等预备军则在刘邦军后待命。
垓下之战示意图
韩信首先亲率汉军发动进攻，初战受挫，韩信后退。楚军追击韩信时受到左右两翼汉军的夹击，双方陷入混战之中，此时韩信整军回身再战，楚军受到三面夹击，一场大战之后楚军战败，项羽被迫退回垓下城。
四面楚歌
夜间 ，双方各自回营休战。汉军采取心理战攻势，命人高唱楚歌。
此时楚军将士已在外征战数年，白天一场苦战，在身陷重围、缺兵少粮的绝境下，听着耳畔传来的楚歌，不难想象那种境况下楚军将士的心情，楚军的士气定然低到了极点。
四面楚歌
项羽眼见大势已去，局势已经不可扭转，趁夜率领八百精锐骑兵突围南逃。（或许项羽是为了跟随自己征战多年的士兵，以自己为诱饵给他们留一条活路，不想让他们跟着自己送死）
天亮之后，刘邦得知项羽已经逃跑，于是派遣骑将灌婴带领五千起兵追击。项羽在渡过淮水之后，身边便只剩下了100多人。之后却在阴陵迷了路，向一个农夫问路却被骗了，导致项羽陷入了大沼泽地中，被追击的汉兵追上。
困兽之斗
此时项羽身边只剩下了28人，而灌婴率领的汉军则多大数千。眼见如此，项羽知道自己逃不掉了，于是下定决心死战。
项羽将起兵分成四队，面朝四个方向，外围则是层层叠叠的汉军。项羽对骑兵们说“且看我给你们拿下一员汉将”。于是命令四面骑士飞奔而下，约定冲至山的东边。项羽高喊一声，率先纵马疾驰而下，冲入汉军阵中，项羽果然勇猛，一番厮杀之下，果然战死一名汉将。这时，汉军骑将赤泉侯杨喜在后面追赶项王，项羽回头大喝一声，赤泉侯大吃一惊，连人带马被惊的连连后退。
项羽
可是项羽再能战，面对百倍之敌也无可奈何，他来到山的东边和其他起兵会合，迅速就被汉军再次围了起来。项羽纵马再战，又斩杀一名汉军都尉，杀死士兵百八十人，再次收拢起兵，发现自己一方竟然只折损了两人。
趁着将汉军包围圈冲乱之际，项羽指挥人马再次冲杀，终于杀出一条血路，向南疾驰而去，一直到乌江边（今安徽和县东北长江边的乌江浦）。
乌江自刎
此时，乌江亭长正停船等在那里，待见到项羽后，对项羽说，“江东虽然小，但土地纵横一千里，还有几十万百姓，定然还能东山再起。大王您快快渡江。现在只有我这儿有船，汉军到了，就没法过江了。”
项羽听着耳畔传来的追兵马蹄声，仰天长啸一声，苦笑道，“上天如今要亡我，我还渡江干什么？再说我率领江东子弟八千人西征，说好的建功立业，如今一个人也没带回来，我还有什么脸面去见江东父老。纵然他们不说什么，我难道心中无愧吗？”
项羽
项羽抚摸着爱马的鬃毛，回头看着渐渐逼近的汉军，对亭长说道，“我知道你忠于我，这匹马跟着我纵横征战了五年，日行千里、所向无敌，我不忍心看其枉死，就把它送给你了。”
说罢，命令起兵全部下马步战，带领身边仅剩的士兵向着追兵冲了过去。混战之中，项羽回头看见汉军骑司马吕马童，说道：“你不是我的老相识吗？”
吕马童看着人群中脸上布满血水和汗水的项羽，半天才认出来，于是指着项羽对身边将领王翳说“此人便是项羽”。
此时项羽已经身负重伤、精疲力竭，便笑着说道，“我听说刘邦说杀死我的人将悬赏千金，封万户侯。既是熟人，我便将这份好处送给你了。”
乌江自刎
项羽言罢，自刎而死。一代霸王项羽就此身死，楚汉争霸终以项羽身死刘邦称霸告终。