韩信没有同意。

楚汉两军相持很久，胜负未决，年轻人厌倦了长期的行军作战，老弱者由于运送粮饷疲备不堪。

汉王和项羽隔着广武涧对话。

项羽要跟汉王单独决一雌雄，汉王则一项一项地列举项羽的罪状说：“当初我和你项羽一同受怀王之命，说定了先入关中者在关中为王，你项羽违背了约定，让我在蜀汉为王，这是你的第一条罪状。你项羽假托怀王之命，杀了卿子冠军宋义，而自任上将军，这是你的第二条罪状，你项羽奉命援救了赵国，本应当回报怀王，而你项羽却擅自劫持诸侯的军队入关，这是你的第三条罪状。怀王当初约定入关后不准烧杀掳掠，你却焚毁秦朝宫室，挖了始皇帝坟墓，私自收取秦地的财物，这是你的第四条罪状。你硬是杀掉已经投降的秦王子婴，这是你的第五条罪状。你采用欺诈手段在新安活埋了二十万秦兵，却封赏他们的降将，这是你的第六条罪状。你项羽把各诸侯的将领都封在好地方，却迁移赶走原来的诸侯王田市、赵歇、韩广等，使得他们的臣下为争王位而反叛，这是你的第七条罪状。你项羽把义帝赶出彭城，自己却在那里建都，又侵夺韩王的地盘，把梁、楚之地并在一起据为已有，这是你的第八条罪状。你项羽派人在江南秘密地杀了义帝，这是你的第九条罪状。你为人臣子却谋杀君主，杀害已经投降之人，你为政不公，不守信约，不容于天下，大逆不道，这是你的第十条罪状。如今我率领义兵和诸侯们来讨你这个残害人的罪人，只让那些受过刑的罪犯就可以掉你项羽，又何必劳累我来跟你挑战呢？”

项羽十分恼怒，埋伏好的带机关的箭射中了汉王。汉王伤的是胸部，却按着脚说：“这个强盗射中了我的脚趾！”

汉王因受箭伤而病倒了，张良硬是请他起来出去巡行，慰劳部队，以便稳定军心，不让楚军占胜利的威势压过汉军。

汉王出去巡视军营，病情加重，立即赶回了成皋。

汉王病愈后，西行入关，来到栎阳，慰问当地父老，摆设酒席，杀了原塞王司马欣，把他的头悬挂在木杆上示众。汉王在栎阳停留了四天，又回到军中，部队驻扎在广武。这时候，关中的军队出关参战的也增多了。

这时候，彭越带兵驻在梁地，往来袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。田横前往梁地依附他。

项羽多次攻击彭越等人，齐王韩信又进兵攻打楚军，项羽害怕了，就跟汉王约定，平分天下，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽送回了汉王的家属，汉军官兵都呼喊万岁，然后项羽回营别去。

项羽罢兵回东方了，汉王也想率军回西方。但汉王采用张良、陈平的计策，乘楚军兵疲粮尽，索性就消灭它，于是进兵追赶项羽，到阳夏南面让部队驻扎下来，和齐王韩信，建成侯彭越约定日期会合，共同攻击楚军。

汉王到达固陵，韩信、彭越却没有来会合。

楚军迎击汉军，把汉军打得大败。汉王又逃回营垒，深挖壕堑固守。

又采用张良的计策派使者封给韩信、彭越土地，使他们各自为战，于是韩信、彭越（哥俩好啊，难怪不得最后都被嘎了）都来会合了。

黥布和刘贾进入楚地，围攻寿春，汉王却在固陵打了败仗，于是派人去召大司马周殷，让他出动九江军队击迎会武王黥布，行军途中屠戮了城父（ｆǔ）, 然后随刘贾、齐、梁诸侯的军队在垓下大会师。汉王封武王黥布为淮南王。

五年（前202），高祖和诸侯军共同进攻楚军，与项羽在垓下决战。

淮阴侯韩信率领三十万大军与楚军正面对阵，他的部将孔将军在左边，费将军在右边，汉王领兵随后，绛侯周勃、柴将军跟在汉王的后面，项羽的军队大约有十万。

淮阴侯首先跟楚军交锋，不利，向后退却。孔将军、费将军从左右两边纵兵攻上去，楚军不利，淮阴侯乘势再次攻上去，大败楚军于垓下。

项羽的士兵听到汉军唱起了楚地的歌，以为汉军已经完全占领了楚地，项羽战败逃走，楚军因此全部崩溃。

汉王派骑将灌婴追杀项羽，一直追到东成，杀了八万楚兵，终于攻占平定了楚地。只有鲁县人还为项羽坚守，不肯降服，因为怀王当初封项羽为鲁公。汉王就率领诸侯军北上，把项羽的头给鲁县的父老们看，鲁人这才投降。

于是，汉王按照鲁公这一封号的礼仪，把项羽葬在穀城。然后回师定陶，驱马驰入齐王韩信的军营，夺了他的兵权。