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“鸿沟和议”以后，项羽率十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。刘邦也欲西返。但是，这时，张良、陈平却建议撕毁鸿沟和议，趁楚军疲师东返之机自其背后发动偷袭。张、陈二人认为：“我们已经占领了一多半的天下，诸侯也都听我们的，这是个好时机。如果放过项羽，那就是喂养老虎，等他凶猛了，会对我们不利的！”于是力谏刘邦，“不如趁这个好时机把他干掉吧！”
于是，刘邦毁约了，向楚军突然发起战略追击作战。大军追至夏南时，刘邦约集韩信、彭越南下，共同合围楚军，谁承想，韩信、彭越没来。
不过，项羽可不管你刘邦的帮手来没来。在一个清晨，追击战打响了，不过，不是追击的一方先动手，而是被追的动手了。项羽调转军队，带着季布和钟离昧向刘邦大军发起了冲锋。在这两年多的时间里，在无数次的交战中，似乎已经形成了这样的惯例：只要项羽本人带军，一交战，刘邦必败无疑。这次也不例外，刘邦军又被项羽军痛揍了。大军后撤，依靠地形，快速修起了防御工事：深挖沟、高筑营墙。坚守壁垒的刘邦向张良询问：“诸侯不来帮忙，对我的命令不理睬，怎么办呢？”张良回答：“汉王，现在该是你表态的时候了！楚国眼看就要被我们消灭了，可是彭越的待遇问题还没有落实，他原本是魏国的相国，现在魏豹没了，他也想封王啊，韩信虽然得到了任命，但那是他自己要求的，对您的意图还不清楚，所以，还得给他定心丸吃！”刘邦采纳了张良的建议，陈以东直到大海的大片领土封给齐王韩信；睢阳以北至谷城封给彭越。就这样，刘邦以加封土地为报酬，终于搬动了韩、彭二人，使他们尽数挥师南下，同时命令刘贾率军联合英布自淮地北上，五路大军共同发动对项羽的最后合围。垓下之战随之开始。
公元前202年十月下旬，灌婴引兵进占彭城，同时攻下楚地的许多地区。英布也遣将进入九江地区，诱降了守将、楚大司马周殷，随后合军北上进攻城父（今安徽涡阳东）。刘邦也由固陵东进，形势对楚极为不利，项羽被迫向东南撤退。十一月，项羽退至垓下（今安徽灵壁东南，一说在今河南鹿邑县境内），筑垒安营，整顿部队，恢复军力，此时楚军尚有约十万人。
韩信、彭越、英布等会合刘邦后，在垓下将向江南撤退的十万楚军层层包围。
汉军以韩信亲率三十万人为主力，孔将军为左翼，费将军为右翼，刘邦坐镇后方，周勃、柴武等预备军在刘邦军后待命。韩信亲率汉军发动攻势，初战进攻受挫后退，在楚军准备追击时汉军左右两翼迂回夹击楚军，两军短兵相接陷入胶着，这时韩信带领大军返身再战，楚军在三面夹击中被击败。项羽被迫退回垓下城。
汉军夜间高唱楚歌。楚军自项羽以下都以为汉已尽得楚地，士气崩溃。项羽眼见大势已去，便乘夜率领八百精锐骑兵突围南逃。天明以后，汉军得知项羽突围，派遣五千骑兵追击。项羽渡过淮水后，仅剩百余骑相随，行至阴陵（今安徽定远西北）因迷路耽搁了时间（《史记》中交代因田父欺骗），被汉军追至，项羽突至东城（今安徽定远东南），手下仅剩二十八骑。
项羽指挥这二十八骑，来回冲阵，再次杀开一条血路，向南疾走，至乌江（今安徽和县东北长江边的乌江浦）边，自觉无颜见江东父老，乃令从骑皆下马，以短兵器与汉兵搏杀，项羽一人杀汉军数百人，自己身亦被十余创，最后自刎而死，年31岁。项羽死后，汉军全歼八万楚军，楚地皆降汉，独项羽原封地的鲁人不肯投降（楚怀王曾封项羽为鲁公），后刘邦将项羽首级示鲁，鲁人乃降。至此，历时四年半之久的楚汉战争终以刘邦的胜利而告终。
刘邦登基后，采用叔孙通的建议，恢复礼法，设三公九卿，任萧何为丞相，采取与民休息、清静无为、休养生息的黄老政策，鼓励生产，轻徭薄赋。在政治上，则先分封功臣韩信、彭越、英布等为王，等到政权稳固，为了防止反叛和巩固皇权稳定，则又以种种罪名取消他们的王爵，或贬或杀，改封刘氏宗亲为王，订立了“非刘氏而王者，天下共击之”的誓言。
此时，由于历经多年动乱，国力孱弱。刘邦为了让百姓修养生息，杜绝战事，于是，汉朝初期并没有什么战事，百姓得以休养生息。