四面楚歌
项羽策反韩信失败，自己又四面受敌，十分焦虑。刘邦也因为屡战不胜而心力交瘁，便提出“中分天下”和项羽讲和，商定划鸿沟为界，东归楚，西归汉，休兵罢战。项羽把刘邦的父亲和妻子送回汉营，于公元前二零二年九月引兵东归。刘邦也打算收兵回关中。
张良和陈平有不同的看法，他们说：汉有天下大半，又有诸侯的支持，现在楚兵粮尽兵疲，乃天亡楚之时也。不如趁机取之。刘邦采取了这个建议，利用项羽东撤之机突然发起攻势，同时约韩信、彭越南下合围楚军。刘邦急躁冒进，在韩信、彭越到达之前就追击项羽至河南固陵。当时英布和刘贾被楚兵牵制在寿春一带，刘邦孤军面对项羽。
项羽早想和刘邦一决高下，加上对汉军违约的愤怒，项羽身先士卒，楚军排山倒海般冲向汉军。刘邦大败，只得坚壁自守。这时，他又想到了韩信，便问计于张良如何才能请韩信出兵解围。张良知道刘邦能与项羽抗衡皆因韩信之功，外加彭越和英布辅助削弱了楚军的力量。现在楚国将亡，而这几个功臣却寸土未封，特别是韩信，他历次征战所得的土地、兵将、物资全被刘邦强行拿走，而只留一个相国的空名，于情于理都难以再次开口求人，于是建议将项羽的土地分给这几位功臣，再请求他们解固陵之围。刘邦别无良策，只能忍痛答应。
在接到刘邦命令之前，韩信已经开始着手围攻项羽。他先派能征惯战的灌婴在项羽的后方发起攻击。灌婴纵横驰骋，以风卷残云之势占领了北到齐地南至广陵（江苏扬州）的大片土地。当刘邦向韩信求救时，韩信亲自披挂上阵，带着十万大军呼啸南下。战局随之急转突变。
当时，楚国的军队主要集中在固陵和寿春一带，都城彭城则防守薄弱。韩信审视全局，决定避开固陵而直接占领彭城。他先与灌婴的人马会合，在下邳击败了项声，斩杀薛公，又一鼓作气攻克了薛、留、沛等县，一举攻占了彭城，俘虏了项羽的柱国（宰相）项佗。
彭城一失，楚军便失去了依托。项羽极为恐慌，立刻放弃固陵，率兵向垓下撤退。韩信则转锋西上，与刘邦会师于颐乡（即河南鹿邑）。英布和彭越也随后赶到，刘邦的各路大军会齐，势力大增，便跟踪追击楚军至垓下。一时间，从关中到中原，从中原到齐鲁，连绵数千里，人马跃动，震天动地。楚汉最后的决战即将拉开帷幕。
项羽兵至垓下（今安徽灵壁），望着汹涌扑来的汉军他不禁仰天长叹，悔不该当初放了刘邦，还受骗与他议和。如今他背约发兵，使自己身陷汉军的包围，无路可走。不过项羽英勇一世，这种众寡悬殊的对决早已司空见惯，当年在巨鹿之战中，他曾经以三万人马大破秦军四十余万；彭城之战，他又以三万兵马打败了五十六万汉军。他这一生中，还没有在战场上败过。这次，他身边有十万大军，还可以创造奇迹。他把兵力集中一处，计划先瘫痪汉军的指挥部队，然后乘机突围。
但项羽忘了这次他的对手不再是章邯、刘邦之辈，而是天下无双的韩信。所有的人，包括刘邦，都认为只有韩信才是项羽的真正对手。刘邦请韩信担任汉军的统帅，指挥七十万大军。韩信非常了解项羽，他预料到项羽的部署，针对楚军战斗力强、善于正面突破的特点，及汉军数量又占多数的情况，设计了一个堂堂正正的五军阵：韩信自己率三十万大军为前阵，将军孔熙在左，费将军陈贺在右，刘邦率大军居中，周勃贺柴武殿后。
韩信题跋像，出《晚笑堂画传》
五军阵布好，韩信觉得决战的时机成熟了，于是命令士兵冲着楚营高喊：
人心皆背楚，天下已属刘。韩信屯垓下，要斩霸王头。
项羽听了，气得七窍生烟，随即披挂上阵，带领楚军出列相迎。只见项羽端坐马上，如天神般伟岸。骏马豪杰，虎啸龙吟，仍然有着不可一世的冲天霸气。
面对具有哀兵之势的楚军，韩信兵马很快处于弱势，韩信按照事先预计的方案，令中军后退，避开楚军的锐气。韩信后退，项羽就向前追击，这时，事先安排在两侧的接应部队突然杀出，猛攻楚军的侧面。在楚军穷于应付两侧的汉军时，韩信又引兵杀回，三面夹击楚军。双方激战一日，楚军最终失败，损失了大部分人马。
韩信在这场战役中的战术策划和临阵指挥上都是非常完美的。他不像项羽那样单纯依靠个人的勇猛，而是最大限度地发挥整个军队的力量，同时也非常善于心理战。
项羽新败，率残部退回营中闭门不出。韩信并不发起强攻，只是四面包围楚军。
十万楚军经过厮杀，伤亡大半，内无粮草，外无援兵，又加上时值隆冬，寒风刺骨，楚军饥寒难忍，多有怨声。
夜里，寒风凄凄，如泣如诉。风中隐约传来了低沉凄怆的楚歌，开始是远远的隐隐约约的，慢慢的越来越近，越来越清晰。那是韩信让汉军用歌声来勾起楚军的乡愁。项羽的士兵听到家乡的歌声，不由泪流满面，有人禁不住轻声和唱起来，一个、两个……和唱的人越来越多，歌声越来越大，回荡在整个楚军营地。这就是“四面楚歌”的典故。
外面的楚歌，项羽也听到了。凄凉低沉的歌声使这个驰骋一生的马上英雄也泪眼婆娑。他问身边的妃子虞姬说：莫非汉军把楚地全占了吗？怎么汉军里有这么多楚地之人呢？
项羽的军帐之外，他的士兵一个个抹着眼泪，放下手中的武器，偷偷向营外逃去；跟随项羽多年的将军们，也不辞而别，就连项羽的叔父也偷偷离去了。一夜之间，项羽身边只剩下了一千多人。
项羽坐在帐内饮酒消愁，吟唱着英雄末路的慷慨悲歌：
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！
左右听了，低头皆泣，不能仰视。虞姬从侍卫手中拿过一把宝剑，挥剑起舞，为项羽解忧。她边舞边唱：
汉兵已略地，四方楚歌声；大王意气尽，贱妾何聊生！
唱完之后，挥剑自刎，倒在项羽的脚下。
这一夜，星月无光，阴风呼啸。四面楚歌声中，项羽满怀悲戚地埋葬了虞姬。曾经不可一世的楚霸王，此刻满目疮痍。看着空荡荡的军营，他明白大势已去，回天无力，于是跨上了乌骓马，连夜突围向南逃去。这时他身后只有八百骑兵。
虞姬像
天亮之时，汉军发现项羽脱逃，韩信立刻派灌婴带了五千铁骑兵前去追击。刘邦悬出赏格，无论是谁，斩杀项羽者列土封侯。
项羽一直往东南跑，一路上损兵折将，过了淮河之后，身边的人马只剩下百余人。这时他又被当地农民误导，走进了一片沼泽地，汉兵很快就追上他们。经过一番厮杀，他冲出包围，跟上来的人马只有二十八人，而身后追赶的汉军有数千。
项羽对他身边那二十八个至死跟随的子弟兵说：我起兵反秦至今已经八年了，身经七十余战，战无不胜，攻无不克，因此称霸天下。今天被困于此，实乃上天要灭我，非我作战不利。不过虽然上天要灭我，我还要和汉军比试一下，我要三战三胜，证明我的话不是自夸。
汉军的兵马渐渐追了上来，把项羽和他手下的二十八壮士团团围住。项羽镇定自若，指挥人马从四处出击，约定到对面山坡上集合。
项羽身先士卒冲入汉军，迎面就将一名汉将斩落马下。汉军把项羽围在中间，项羽在包围中来回纵马驰骋，一会儿就杀了一名汉将和数十名汉军，之后他又退回和其余的人马会合。这时他的人马被汉军截成三队，被分别层层包围。项羽几进几出，斩杀了数名汉将和无数汉军，最后把人马集合于一处，发现仅损失了两人。
汉军被他的勇猛所震摄，均不敢靠前，眼睁睁看着他们突围而去。
项羽一路往南，一直到乌江岸边。乌江亭长驾着一只小船前来接他，请项羽渡江，到江东再图东山再起。项羽望着滔滔的江水，对亭长说：“我当年带着八千子弟兵西征天下，如今没能带一个人回去，又有何脸面见江东父老呢？”
项羽谢绝了亭长的好意，坚决不肯上船。他把自己胯下的乌骓马送给亭长，然后让身边的二十六名勇士都下了马，徒步回头，迎向后面追来的汉军。
双方短兵相接，直杀得天昏地暗，日月无光。忽然间，项羽在汉军中看见一个熟悉的身影，他停下手中的剑，说：“你不是我的老朋友吕马童吗？”
吕马童羞愧地低下了头，项羽没有理会他的表情，接着说：“听说汉王以千两黄金和万户侯爵来买我的人头，我就送给你做个人情吧！”说完就自刎而死。曾经气吞山河的一代英雄就这样结束了自己的生命，也结束了楚汉相争的混战局面。
在中国历史上，同一时期诞生两位神级名将是极其难得的，秦末却出现这一盛况：一个是千古无二的霸王，一个是用兵如神的兵仙。战场上双方主帅一出场，不等交锋，胜负即已决对出来，那就是谁的能量层次更高。对于韩信，他战胜楚霸王证明了自己的天才智慧能力以及历史地位，成为后世兵家称道的兵仙；对于项羽，即使最终败北，输在韩信手下，也不算辱没堂堂霸王之威名。
项羽二十四岁起兵，三年后称霸，到三十一岁自刎，垓下之战是他一生中唯一的一次败仗。他霸气冲天，英勇无敌，韩信是唯一能够战胜他的人。没有韩信，刘邦连汉中也走不出；即使出了汉中，也难逃被项羽击败的结局。难怪刘邦说：“连百万之军，战必胜，攻必取，吾不如韩信。”（《史记·高祖本纪》）“汉之所以得天下者，大抵皆信之功也。”（《资治通鉴·汉纪四》北宋司马光语）
韩信不仅是“破魏以木罂，破赵以立汉赤帜，破齐以囊沙，彼皆从天而下，而未尝与敌人血战者”（明茅坤语），包括其破楚以“四面楚歌”也是“从天而下，而未尝与敌人血战者”的典范。真可谓，神人用兵，不战已胜。
齐王徙楚 计游云梦
刘邦在韩信等诸侯王的推举之下，登上了皇帝的位子，史称汉高祖。正如武涉和蒯彻的预言，随着胜利的到来，韩信的境遇每况愈下。
垓下会战结束后，汉军北上还军到了定陶，刘邦突然袭击，闯入韩信营中收了他的兵权，紧接着又把韩信的封地从肥沃的齐地改到楚地，远离齐、赵、燕等韩信一手打下的地盘。
韩信心胸坦荡，对刘邦的绝情寡义没有抱怨，平静地回到了自己的故乡楚地。
回到家乡，他先找到恩人漂母，赐以千金酬谢。之后又找到南昌亭长，给了他一百钱，还了当年的饭钱。韩信对亭长说：“你做好事有始无终，只能算是个不通人情大义的小人。”最后，他找到了使他受胯下之辱的青年，这位青年听说新楚王就是被他羞辱的韩信，认定自己死期到了，战战兢兢地来见韩信。韩信没有为难他，还夸他是位壮士，封他为“中尉”，掌管京师治安。
处理完这些私事，韩信就开始治理自己的领地。他先巡视楚地，处理战后亟待解决的民生问题，建立了一支保卫封地的军队，他的计划是建立一个繁荣强大的楚国。
但是刘邦并不打算把韩信留在王的位置上。韩信是开国功臣，为了削掉他的王位，刘邦给韩信安上了一个“谋反”的罪名。
项羽像
汉高祖六年（前201年）十二月，刘邦突然对手下将领们说：“有人告韩信谋反，你们觉得要怎么处理？”那些将领都是有勇无谋之辈，叫嚷说：“干脆发兵，干掉这小子算了！”刘邦自知师出无名，沉默良久，最后向陈平问计。
陈平以谋略见长，但有才无德。刘邦话一出口，他就知道韩信其实没有谋反。证实了自己的猜测后，他对刘邦说：“陛下的军队不如韩信的精锐，将领也没有超越韩信之人，发兵进攻逼迫韩信决战，对陛下是危险的事。”他设计让刘邦假装到湖北云梦去游猎，命令诸侯到河南的陈地与刘邦相见。陈地在楚国边境，韩信前来就可轻而易举地把他拿下。
刘邦欣然采纳了陈平的计策，遣使者通知韩信前往陈地相见。韩信并不见疑，亲往迎谒。刚一见面，刘邦就喝令武士拿下韩信，韩信错愕之间，已束手就擒。
既然目的达到，刘邦也不再去云梦游猎，立即打道回府。韩信这才明白刘邦此行专对自己而来。他愤怒至极，高喊道：“果若人言：‘狡兔死，良狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’天下已定，我固当烹！”
刘邦听了，面红耳赤半天说不出话来，啃哧良久才说，“有人告你谋反。”
刘邦深知没有实质理由就抓捕开国功臣必然不能服众，所以一回到洛阳就大赦天下，借机释放了韩信，但没有放他回楚国，而是降为淮阴侯住在都城，不可以回封地，也不许拥有军队，实际上是把韩信软禁起来。
亡将之死
项羽身亡之后，楚将钟离昧为了避祸四处藏匿。刘邦因为数次败于钟离昧手下而记恨在心，诏令缉拿。因为韩信也曾经投身项羽麾下，司马迁在《史记·淮阴侯列传》中就把钟离昧和韩信联系起来，说钟逃亡途中归附了韩信。刘邦昭令韩信逮捕钟离昧，韩信抗旨不遵。刘邦游猎云梦之际，韩信为求自保，逼钟离昧自杀。钟氏后人在编写《钟氏宗谱》时也采用了这个说法，更加加深了世人的误会。仔细考察，发现事实并非如此。
《史记‧秦楚之际月表》中明确记载：“五年九月，王得故项羽将钟离眛斩之。”这表示钟离眛是汉高祖五年九月被逮捕的。而对韩信所谓的“谋反”记录是“汉六年”。因此刘邦施计游猎云梦之际，钟离眛死了已经一年多了，不存在韩信为自保而逼钟离眛自杀的可能。
那么有没有可能韩信因为收留钟离眛而引祸上身呢？答案也是否定的。这两人虽然同时任职于项羽麾下，但一个是高高在上的大将，一个是地位卑微的执戟郎中，很难想像这两个人之间会有交集。从刘邦问计于陈平的对话来看，他们自身也很清楚韩信没有任何愧对刘邦的行为，这也是云梦之计能成功的前提。云梦之计表面看起来天衣无缝，其实是漏洞百出。云梦也就是洞庭湖，在湖南。韩信的封地在楚，即江苏一带，刘邦从关中（陕西秦岭关中盆地）到云梦是南下，若去楚地是向东，完全不可能顺路。如果韩信曾经收留过钟离眛，刘邦前来之际，他必然不会毫不设防地前来迎接。因此韩信“斩眛谒上”的说法是不成立的。
序次兵书
韩信文武双全，策马是神帅，握笔即泰斗。他曾和萧何一起修订过军中律法，也与张良一起整理过先秦兵法遗著。班固在《汉书‧高帝记》中记载：韩信与张良“序次兵法，凡一百八十二家，删取要用，定着三十五家”。所谓“序次”就是编排目次和校理本文。这是历史上第一次对古代兵书大规模的整理。
韩信按照《司马法》中对兵家思想的分类，把兵法分为：“权谋、形势、阴阳、技巧”四种。后来武帝时期杨仆“纪奏兵录”、成帝时期任宏、刘向和刘歆等校阅整理兵书都没有脱离韩信设立的规制。这种分法被后世奉为典范，成为兵书撰写和兵学理论的规范程式。
韩信也利用被软禁赋闲在家这段时间著书立说，作了《韩信》兵法三篇，总结融汇了先秦兵学之大成，使汉以前的兵书能比较完整大面貌地留存于世。这本书属于“兵权谋”十三家之一。班固对“兵权谋”的解释是：“权谋者，以正守国，以奇用兵，先计而后战，兼形势，包阴阳，用技巧者也。”乃中国兵法真正精髓所在。
