为变更韩信、彭越，刘邦服从张良之谋，划陈(今河南淮阳)以东至海泛博地区为齐王韩信封地；封彭越为梁王，划睢阳(今河南商丘)以北至谷城(今山东东阿南)，为其封地。由韩信批示此战。韩、彭遂率兵攻楚；韩信从齐地南下，占据楚都彭城(今江苏徐州市)和今苏北、皖北、豫东等泛博地区，兵锋直指楚军侧背，彭越亦从梁地西进。汉将刘贾会同九江王英布自下城父(今安徽亳县城父集)北上；刘邦则率部出固陵东进、汉军构成从南、北、西三面合围楚军之势，项羽被迫向垓下(今安徽灵璧南，一说今河南淮阳、鹿邑间)退兵。
奇策灭齐
五年十仲春，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计40万人与10万楚军于垓下展开决斗。汉军以韩信率军居中，将军孔熙为右翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。韩信挥军打击得胜，引兵后退，命左、右翼军持续进犯。楚军迎战倒霉，韩信再挥军反击。楚军大败，退入壁垒死守，被汉军重重包抄。楚军屡战不堪，兵疲食尽。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“民气都向楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头”导致楚军士卒思乡好战，军心崩溃，韩信乘势打击，楚军大败，十万军队被全歼，项羽逃至东城自刭而死。刘邦因而还至定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳(今江苏邳县东)。
齐国得胜，龙且战死，使项羽非常发急。派盱台人武涉前去游说韩信反汉与楚结合，三分天下称王齐地。韩信回绝说：“我奉事项王多年，官不过是个郎中，位不过执戟之士。我的话没人听，我的战略没人用，以是才离楚归汉。汉王刘邦授我大将军印，让我率数万之众，脱衣给我穿，分饮食给我吃，并且对我言听计从，以是我才有明天的成绩。汉王如此靠近、信赖我，我叛变他不会有好成果的。我至死不叛汉，请替我推却项王的美意。”
汉高帝五年(公元前202年)，刘邦趁项羽无备，楚军饥疲，俄然对楚军策动计谋追击。约韩信从齐地(今山东)，彭越从梁地(今河南东北部)南下合围楚军。五年十月(汉初承秦制，十月为岁首)，韩信、彭越未能准期南下。刘邦追击楚军至固陵(今河南淮阳西北)，楚军反击，刘邦大败而归。