汉尼拔之弟马戈为了取得对罗马战争的胜利，在前203年率军翻越亚平宁山脉进入波河流域。在那里，他的战象以三万之众冲垮罗马骑兵，挽救了迦太基步兵。然而，次年，汉尼拔的军队却在纳拉加拉被西庇阿彻底击败。
汉高帝四年（公元前203年）八月，项羽、刘邦的军队已经在荥阳，成皋相持了两年零四个月。项羽自知腹背受敌、粮尽兵乏，形势对他极为不利，因此，被迫主动求和。双方订立和约，中分天下，以鸿沟为界，东归楚、西归汉。九月，项羽撤军东归。
刘邦也打算按照和约，向西撤退。但是，张良、陈平一致认为，此时项羽兵困粮尽，正是灭楚的最佳时机，应该乘胜追击消灭楚军，如若不然将后患无穷。刘邦采纳了他们的建议，遂停止撤军，趁项羽退军之时，向楚军发动了战略追击，并约韩信、彭越南下，合力歼灭楚军。
汉高帝五年（公元前202年）十月，刘邦追击项羽军至固陵（今河南淮阳北），但是韩信、彭越却按兵不动，没有如期南下。项羽对刘邦的毁约行为深感痛恨，因此趁韩信、彭越两军未到，亲率大军向刘邦发起了进攻。汉军因没有防备，被楚军打败，汉军退入壁垒，固守待援。而项羽没有乘胜围歼刘邦军，从而使汉军有了喘息待援的机会。
韩信从齐地南下向楚都彭城进攻，很快占领了彭城，之后又迅速占领了今江苏北部、安徽北部和河南东部等广大地区，直逼项羽侧背。刘邦见形势好转，率军从固陵向东挺进。项羽在韩信、刘邦的夹击之下，只得向彭城东南方向逃去，韩信继续向东南追击。与此同时，彭越率军从梁地向西进，汉将刘甲与九江王英布向北进军。项羽军已经处于汉军的多方夹击之中，只得退往垓下地区。项羽与诸将认为垓下地区地形险要，易守难攻，于是构筑营垒，整顿军队，季布军安置于垓下以西、以南地区，钟离昧安置于以东、以北地区，自己率主力居于垓下中部地区，决定与汉军决一死战。各路汉军在完成了对楚军的各方包围之后，也加紧准备与楚军的最后决战。
十二月，双方在垓下展开了决战。韩信首先向项羽大营发起进攻，却首战失利，在左、右翼的夹击下，才引兵后退。楚军尽管曾多次击退汉军的进攻，终因兵力有限，屡战屡败，无力出击，也突围不出去，只得退入壁垒坚守。汉军各路把楚军重重包围，双方处于对峙状态。为了尽快击败楚军，彻底瓦解楚军的战斗力，刘邦接受张良的建议，让汉军中会唱楚歌者夜唱楚歌，以此来勾起楚军士卒的思乡之情，从而瓦解其军心。此时，项羽军中粮食已经用尽，楚军士卒听到四面的楚歌，想想自己目前的处境，更加思念家乡和亲人。于是楚军士卒再也无心作战，纷纷逃出楚营，投降了汉军。就连项羽的叔父项伯，也偷偷地投降了汉军。而项羽听到这四面的楚歌，以为楚国的地方都已经让汉军占领，更加灰心丧气，这就是“四面楚歌”的由来。项羽看到将士们纷纷投降汉军，知道大势已去，非常伤心，在营中饮酒解愁，并一边饮酒一边悲凉地唱起了歌，项羽最宠爱的妃子虞姬也应和着一同唱。虞姬唱完后，便自刎而死，项羽顿时泪如泉涌，更加悲痛，剩下的将士们也忍不住一片悲声。
虞姬已死，项羽只好强忍悲痛，率领手下八百精锐骑兵乘夜突围。次日黎明，韩信才得知他已经突围出去，立刻命令五千骑兵追击。项羽流过淮河，身边只剩下一百余人，因迷路而被汉军追上。经过激战，项羽向南到达长江北岸的乌江，他自知无颜再见江东父老，又不愿束手就擒，便自刎而列。
垓下之战是楚汉战争的最后一次决战，汉军歼灭全部楚军，至此，历时四年半的楚汉战争结束，刘邦取得了楚汉战争的最后胜利。同年六月，刘邦称帝，统一的西汉王朝正式建立。