马到达固陵与刘邦会师，担任主攻；刘贾与英布自寿春率兵北进，切断项羽南逃之路。项羽军队不断收缩，退至垓下，中了韩信的“十面埋伏”。诸侯军队蜂拥而至，把项羽军队重重包围了起来。
汉军“十面埋伏”，形如天网，楚军固守垓下，势如鸟雀。此刻，项羽军的反击好似困兽犹斗；刘邦军的进攻捷报频传。垓下战场，杀声震天。两军拚搏，你死我活。著名的垓下之战就这样展开了。
为了进一步动摇和瓦解楚军，一天夜里，刘邦要汉军四面唱起楚歌。楚军听了，益发怀念自己的家乡。项羽大惊曰：“汉皆已得楚乎？是何楚人之多也！”项羽惶惶然不能入睡，深夜在军帐里喝酒。他—面喝酒、一边激昂慷慨地唱起歌来，歌曰：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝！骓不逝兮可奈何？虞兮虞兮奈若何！”据说他的爱妾虞姬也起而和唱，歌曰：“汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生！”唱罢，拔剑自刎而死。项羽见大势已去，带了八百骑兵连夜突围南逃。第二天天亮，刘邦发觉项羽突围而去．便派灌婴带领五千骑兵追连赶。
项羽渡过淮河，继续跟随他的骑兵只有一百多人了。项羽到阴陵，迷了路，陷进湖沼地带，被汉军追及。项羽领兵且战且退，退至乌江