刘邦兵败逃离荥阳，一路狂奔，身边只有滕公一人逃到修武。修武是韩信，张耳的军营，刘邦只称是汉王使者，骗过卫兵，直奔军营，夺了韩信，张耳的军权。派张耳留守赵地招收兵卒，派韩信东进攻打齐国。
刘邦取得了韩信的军队，重新振作起来，他率军南下，临近黄河，在小修武的南面犒劳部队，准备跟项羽再战。郎中郑忠劝说刘邦说：项羽士气正盛，这时出战没有必胜的可能，应该加深壕沟，增高壁垒坚守，不与楚军正面作战。
刘邦听信了郑中的计谋，派卢绾，刘贾率步兵两万人，骑兵数百名渡过白马津，进入楚地，携同彭越的军队在燕县城西打败了楚军，攻下了梁地十多座城，截断了楚军粮道。
项羽一直想与刘邦决战，刘邦却深挖壕沟，加高营垒不与楚军决战。彭越大军断了楚粮道，又攻下梁地十几座城。项羽想要平定梁地，又担心刘邦偷袭他的营寨，就对大司马曹咎说：我带兵收复梁地，你们一定要小心守住成皋。如果汉军挑战，千万不要应战，只要他们不东进就可以了。我十五天之内一定平定梁地，回头再与将军们会合。
项羽率兵去收复梁地，很快就把丢失的城池收回来。这期间，汉军果然多次向楚军挑战，楚军都坚守不出战。汉军派人阵前辱骂，接连五六天。大司马曹咎气愤至极，忍不住领兵横渡汜水应战。楚军刚刚渡过一半，汉军突然杀了过来，楚军大败，把楚军囤积的金玉财物抢劫一空，军队也被打散了。大司马曹咎，在汜水岸边自杀了。
项羽平定梁地，到达睢阳，听说大司马曹咎兵败，就率兵赶回来，但成皋已破。此时汉军把楚将钟离昧围困在荥阳东面。楚军赶到，解了荥阳之围。此时齐国已被韩信打败，齐王田广逃走。而楚将龙且援救齐国的军队也被韩信打败，二十万大军覆灭。项羽有些惊慌。
楚汉两军久久相持不下，胜负未决，军人厌战，民不聊生。项羽要求与刘邦单挑决一雌雄，隔着广武涧相互喊话，刘邦列举项羽的十条罪状，使项羽大怒，令预先埋伏的弓箭手开弓射中了刘邦，刘邦因箭伤卧床不起，为了稳定军心，张良强请刘邦巡视部队，慰问将士。
刘邦病愈后，西行入关，来到栎阳，慰问当地父老，摆设酒席，并杀死了原塞王司马欣，把他的头悬挂在木杆上示众。刘邦在栎阳停留四天，又回到军中，部队驻扎在广武。关中的军队出关参战的有所增加，刘邦的军事力量有所加强。
彭越又重新驻扎在梁地，来往袭击骚扰楚军，断绝楚军的粮食供给。齐将田横前往梁地协助彭越抗楚。项羽多次攻击彭越的军队，没有取胜。此时齐王韩信也率兵攻打楚军。项羽看自己兵力很难打败刘邦，就与刘邦约定，平分天下，以鸿沟为界，鸿沟以西的地方划归汉，鸿沟以东的地方划归楚。项羽送回了刘邦的家属，双方罢兵，各自回到自己的营地。
楚与汉签完平分天下的和约，项羽便率领楚军东归。刘邦也想率军西归，但张良，陈平不主张撤兵，应当趁楚军兵疲粮尽之时消灭他，一统天下。刘邦采纳了张良，陈平的建议，迅速调整队伍追击项羽，一直追到阳夏南面才让部队停下来。并按刘邦与彭越，韩信约定的日期会合，共同攻击楚军。
当刘邦到达固陵时，韩信，彭越却没有按约定的时间会合。楚军调头迎击汉把汉军打个大败，刘邦逃回营垒，深挖壕沟坚守不出。刘邦很生气，对张良说：已经约定好了，韩信，彭越却不来会合，害的我吃了败仗。
张良说：韩信，彭越不来会合很正常，千里率兵来攻打项羽，耗费军需粮草，却什么好处捞不着，谁也不愿意来。您应该划分土地，谁打下来就归谁，他们一定会来汇合的。
刘邦采纳了张良的计策，派使去封韩信，彭越的土地，彭越，韩信果然如约会合了。又派人召黥布，刘贾，齐梁各诸侯的军队一起会师垓下，把项羽的部队团团围住，项羽插翅难逃。
汉王五年，刘邦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，刘邦领兵随后，绛侯周勃，柴将军跟在刘邦后面。项羽的军队大约有十万。
淮阴侯韩信首先与楚军交锋，楚军拼死冲杀，韩信没有占到上风，便慢慢向后退却。这时左军孔将军，右军费将军，两军同时攻上去，楚军见形势不妙，想撤已经来不及了。淮阴侯乘势再次从正面攻上去，大败楚军于垓下。
项羽十万雄兵，一代英豪，一旦战败也是不知所措。当夜晚听到了汉军唱起了楚地歌谣，思乡心切，已经没有了斗志。以为汉军占领了全部楚地。项羽战败逃走，楚军没了灵魂，因此楚军全线崩溃。
刘邦派骑将灌婴追杀项羽，一直追到东城，杀了八万楚军，终于平定楚地。项羽冲出重围，回头看，跟随自己冲出重围的将士，已不足百人，项羽仰天长叹道：这是天要灭我啊！想我项羽自从起兵，攻无不克，战无不胜。如今怎么就走到这一步，真是可悲，可叹呀，说完拔剑自刎。
刘邦终于平定了楚地，只有鲁县人没有归顺刘邦，坚守城池。因为义帝当年封项羽为鲁公，鲁县人为项羽守节，刘邦命人把项羽的人头送给鲁县，鲁县人民才归顺汉王。
刘邦按照鲁公这一封号的礼仪，把项羽葬在谷城。战争结束了，刘邦最不放心的就是韩信，他率队驰马到齐王韩信军营，夺了韩信的兵权。
刘邦灭了项羽，统一了天下。诸侯及将相共同尊请汉王刘邦为皇帝。刘邦说：皇帝的称号，只有贤能的人，才有资格拥有，我可承担不起皇帝尊号。大臣百般尊请，刘邦再三辞让。实在推辞不过，只好听从安排。刘邦在汜水北面登皇帝位。