这是刘邦一生中最大的一次胜利，也是楚汉战争中的最后一场巅峰对决。它就是垓下之战。

公元前206年，刘邦率先攻入关中，与秦地百姓约法三章，本来想做一个无忧无虑的关中王，但由于项羽率领40万大军前来，让刘邦瞬间清醒，在经历鸿门宴之浩劫后，领了一个汉中王，自绝栈道回兵汉中。仅过了一年刘邦采取韩信的计策，“明修栈道、暗渡陈仓”发兵关中地区，用时一年逼死“章邯”，收服另外两个关中王，并在此休整一年后率军进入洛阳，正式打响楚汉战争。

刘邦统军60万，发动彭城之战最后兵败，在荥阳组织有效兵力，成功抵御项羽的进攻，双方展开长达两年的拉锯战。公元前203年，梁地的彭越对楚兵发起骚扰，断其他们的运粮道路，后又围困项羽手下大将钟离昧，使项羽率领军队援助。刘邦手下齐王韩信抓住机会开始对楚军发起攻击。最后项羽决定和刘邦签订“鸿沟之盟”。

但是刘邦转头就撕毁合约，趁着项羽兵疲食尽，开启了轰轰烈烈的“垓下之战”。刘邦的军队全权由韩信统率共计30万汉军。楚军由项羽统率，共计大约有10万。最后韩信是率领汉军将其包围，项羽放弃十万大军，率领800精锐骑兵向南逃窜。

项羽率军渡过淮水之后，身边仅剩下百余骑相随继续前行，到阴陵被人欺骗导致被汉军追上。等到项羽再次突围的时，身边仅仅剩下28位骑。他亲自指挥着28人悍然对汉军再次展开冲杀，硬生生被他杀出一条血路，向南飞奔而去。行至乌江边，令从骑下马，以短兵器与汉兵搏杀。项羽一人力战被十余创，最后自刎而死，年31岁。

让项羽自杀的最重要的导火索是出在刘邦派出的五个小兵身上。就在项羽被困乌江边时，其实已经做好了死战不退，誓死杀敌的打算。但此时刘邦突然下令“能够取项羽首级者，赏千金，封万户侯”，并且派出了身边的一个名叫吕马童的小兵。这个小兵本来是项羽手下的一个将领，陪同在项羽身边鞍前马后、寸步不离更是和项羽以兄弟相称。但由于在之前的战斗之中，吕马童受伤为了活命投降汉军，成了刘邦手下的一个小兵。

这个时候吕马童率领原先跟着项羽的其他四人向项羽奔去，并且大喊着要取项羽首级。项羽看到之后，带着九分不屑以及一分的可悲深情，再也没有做任何抵抗自杀而死。其实不是这五个人有能够抗衡项羽的能力，而是这五个人就是压死项羽的最后一根稻草，正是由于他们的出现，让项羽彻底清醒过来。自己已经败了，并且再也没有任何东山再起的可能，就算自己能够渡过乌江苟延残喘。将来面对的，依旧是刘邦大军对整个江东地区的屠杀。与其如此，还不如自己带着对8000子弟的愧疚自杀而死，也算是有个交代。

项羽死后刘邦将其安葬在谷城。其后刘邦迅速返回定陶，收缴韩信的兵权，将韩信封为楚王。公元前202年，刘邦在泗水北岸称帝，正式建立西汉帝国。