其中还有一场关键之战，楚汉两军在垓下进行了一场战略决战——垓下之战。这意味着，历史上着名的楚汉之争终要落下帷幕。
战争开始前，汉王刘邦立英布为淮南王，这是汉王继韩王信，赵王耳，齐王信后，封的第四位王，目的当然是团结一切力量对付项羽。
燕王臧荼派出骑兵南下，助汉攻楚。同时，彭越拥兵梁地，断绝楚军粮道；齐王韩信又接连发兵击楚，其先锋灌婴之军甚至已攻入淮北，多次击败淮北楚军。
项羽虽四面受敌，但汉军也有自己的问题。刘邦因为没能调来韩信、彭越等人的军队，无法对楚军进行最后的合围。于是，双方进行了历史上着名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。汉楚约定双方各自退兵。
项羽率十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。而刘邦也打算
项羽虽四面受敌，但汉军也有自己的问题。刘邦因为没能调来韩信、彭越等人的军队，无法对楚军进行最后的合围。于是，双方进行了历史上着名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。
汉楚约定双方各自退兵。项羽率十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。而刘邦也打算西返。
正当此时，张良、陈平却建议刘邦撕毁鸿沟和议，趁楚军疲师东返的时机，从其背后发动偷袭。张、陈二人认为：“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。
刘邦采纳了二人的建议，违背和议，向楚军突然发起战略追击作战。
当汉军追至夏南时，刘邦再次约集韩信、彭越南下，共同合围楚军。这次，韩信及彭越依然未出兵合击楚军，结果刘邦在固陵被项羽打败。刘邦慌忙率军退入陈下，并筑起堡垒坚守不出，使得楚军合围了刘邦。
坚守壁垒的刘邦，在与张良商议后，决定将陈以东直到大海的大片领土封给齐王韩信；睢阳以北至谷城封给彭越。
就这样，韩信、彭越二人挥军南下，同时刘贾率军联合英布自淮地北上，五路大军共同发动了对项羽的最后合围。垓下之战随之开始。
此时，深感四处受敌的项羽带兵从固陵撤出，打算退回彭城。然而，彭城早被灌婴攻下，西楚群臣皆被俘虏。
项羽无奈，只好继续南撤，打算去舒城找主持南方军政的楚国大司马周殷。项羽的计划是，凭借淮河之险与巢湖之粮，与汉军继续周旋。但就在此时，项羽得知了一个让他几乎绝望的消息。
此时，淮南王英布已经遣将进入九江地区，诱降了守将、楚大司马周殷，随后合军北上进攻城父。楚国三大司马的骨鲠之臣周殷的投降意味着他们南撤的退路已被截断，同时，刘邦已由固陵东进，形势对楚极为不利，无奈之下，项羽被迫向东南撤退。当项羽退至垓下时，楚军尚有约十万人。
而韩信、彭越、英布等会合刘邦后，各路汉军总共六十余万。十二月，汉军在垓下将向江南撤退的十万楚军层层包围。
鉴于韩信曾有平定三秦之战和平齐之战的经验，刘邦决定将这六十万大军的指挥权都交予韩信统一调度，毕其功于此战。
自有史以来，除了王翦，从未有人能指挥六十万大军作战取得胜利。更何况，韩信并不像王翦那样有一年多的时间可以等待。
完成对楚军的全面合围的汉军，开始一步步缩小包围圈，退无可退的项羽只能主动出击，楚汉最后的决战爆发。
韩信终于要和项羽决一胜负了。这场本该精彩的对决却很快呈现出一面倒的趋势。
原因很简单，项羽之卒不过十万，且粮食后援全数断绝，已是强弩之末；而汉军仅韩信部就有足足三十万。以多敌少，虽胜之不武，但韩信明白，如果没有数倍兵力，任何人也无法在野战中正面击败项羽。
关于这场战争，大家熟知的就是“四面楚歌”和“十面埋伏”。其实“四面楚歌”是有，“十面埋伏”却是后人添加的，韩信充其量也就摆了个“三面埋伏”而已。
鉴于项羽勇猛的冲锋式作战风格及其滴水不漏的战阵打法，韩信决定只使用直属自己的三十万大军与项王正面对决。
韩信将这三十万大军分成三部：一部亲自率之，直接迎战项羽；一部由大将孔熙率领，埋伏在左翼；一路由大将陈贺率领，埋伏在右翼。除去韩信三十万，刘邦还自将十万卒为后军，周勃与陈武两支预备队则安排在最后。最终，投入战场的汉军总计四十多万，他们呈三层梯队纵深部署，其中各自内部亦有多重梯队，分工明确。
为了针对项羽的作战冲击力强的特点，韩信布置了超长纵深多层梯队的防御战阵，防的就是楚军的直线冲击力。
战斗如期打响，十余万汉军主力在韩信的率领下对楚军发动猛烈进攻，项羽自率八千江东子弟冲入汉阵，十万楚军紧随其后，一时气势如虹，这大概就是项羽的“霸王气概”吧。
然而，韩信布置的战阵并非普通战阵，没那么容易被冲溃，因为溃了一层还有一层，层层叠叠，多线结阵，是对付冲击骑兵的最佳武器，很好地消耗了项羽的冲锋之势。
随着楚军的连番冲击，汉军的数层梯队被一一突破，韩信命令全军撤退。项羽以为胜利在望，连忙奋力追击，想以此来提升楚军士气。
项羽的想法不是没有道理，按照以往经验，如果汉军真的打算撤退，过程中阵型很容易混乱。一旦阵脚崩溃，汉军必败无疑。
然而，汉军的撤退只是韩信的战术安排之一。
由于楚军恃勇轻进，战线拉长，步骑前后开始脱节。就在韩信所部向后退却的时候，左右两翼的孔、陈汉军已开始从两翼迂回杀到了楚军的侧背，将楚军骑兵与步兵分割成两半，韩信适时再指挥撤退的汉军返身杀回，穿插包围，各个击破。
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