垓下之戰發生於前202年（漢五年十二月），是楚漢戰爭的最後一場決戰。劉邦集結韓信、彭越、英布等各路兵馬，將西楚霸王項羽圍困在垓下（一般認為在今安徽靈璧東南）。楚軍兵少食盡，夜聞「四面楚歌」而軍心瓦解。項羽率八百餘騎突圍南走，一路折損，最後在烏江自刎。這一戰結束了長達四年的楚漢相爭，劉邦隨即稱帝，建立漢朝。
前203年，楚漢兩軍在滎陽、成皋一帶長期對峙，楚軍糧盡，漢軍也疲憊不堪。雙方於是議和，約定以鴻溝為界，以西歸漢、以東歸楚，項羽並送還被俘的劉邦家屬，引兵東歸。
劉邦原本也打算西歸，張良與陳平卻勸他：漢已據有天下大半，諸侯歸附，而楚軍兵疲糧盡，這正是天亡楚的時機，若此時放走項羽，無異於養虎遺患。劉邦採納了這個建議，背約追擊。
漢軍追到陽夏以南，劉邦與韓信、彭越約定會師夾擊，兩人卻都沒有前來。項羽回頭反擊，在固陵大破漢軍，劉邦只得堅壁自守。張良指出，韓信、彭越不來，是因為劉邦還沒有明確分封他們土地。劉邦於是許諾把陳以東直到海濱的土地封給韓信，睢陽以北到穀城的土地封給彭越。兩人得到承諾，立即率軍南下。
與此同時，劉賈率軍深入楚地，包圍壽春，並誘降了楚國大司馬周殷。周殷舉九江之兵叛楚，隨劉賈、英布攻下城父。各路漢軍從北、東、南三面向項羽收攏，最終會集於垓下。
據《史記·高祖本紀》記載，漢軍由韓信統率三十萬大軍正面迎敵，孔將軍（孔聚）居左翼，費將軍（陳賀）居右翼，劉邦在後，周勃、柴武又在劉邦之後。項羽的兵力約十萬。韓信先與楚軍交鋒，戰況不利而後撤；孔聚、陳賀從左右兩翼夾擊，楚軍失利，韓信再乘勢反攻，楚軍在垓下大敗。
項羽退入營壘，兵少糧盡，被漢軍與諸侯軍重重包圍。夜裡，漢軍四面都唱起楚地的歌謠，項羽大驚道：「漢皆已得楚乎？是何楚人之多也！」他在帳中飲酒，對著愛姬虞姬與坐騎騅馬，慷慨悲歌：「力拔山兮氣蓋世，時不利兮騅不逝。騅不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！」左右皆泣，無人能仰視。
當夜，項羽率麾下壯士八百餘騎突圍南走。天亮後，漢軍才發覺，派騎將灌嬰率五千騎追擊。項羽渡過淮水時，跟得上的只剩百餘騎；到了陰陵迷路，向田間老農問路，被騙往左走，陷入大澤，因此被漢軍追上。到東城時，身邊只剩二十八騎，而追兵有數千人。項羽自知無法脫身，對部下說「此天之亡我，非戰之罪也」，分兵四隊衝殺，斬漢將、殺數十百人，證明自己並非戰敗。
項羽最後來到烏江，烏江亭長備好船隻，勸他渡江回江東再起。項羽笑著拒絕：當年與江東子弟八千人渡江西進，如今無一人生還，縱使江東父老憐憫他、擁他為王，他又有何面目相見？他把騅馬送給亭長，下馬步戰，獨自殺死漢軍數百人，身受十餘處創傷，最後自刎而死。王翳取得他的首級，楊喜、呂馬童、呂勝、楊武各得一部分遺體，五人因此都被封侯。
項羽死後，楚地各城相繼投降，只有魯城堅守不下，直到劉邦拿項羽的首級給魯人看，魯人才投降。劉邦以魯公之禮把項羽安葬在穀城，親自為他發喪。項氏族人沒有被誅殺，項伯等四人還被封侯，賜姓劉氏。
前202年二月，劉邦在定陶附近的汜水北岸即皇帝位，建立漢朝。戰後，韓信從齊王改封楚王，彭越受封梁王，英布為淮南王，楚漢之際的群雄割據告一段落。但這些異姓諸侯王在漢初幾年內相繼被削奪、誅滅，韓信、彭越、英布都沒有善終。
垓下之戰留下的「四面楚歌」「霸王別姬」等故事，成為後世戲曲、詩文的重要題材。琵琶曲〈十面埋伏〉描寫的也是這場戰役；「十面埋伏」一詞並不見於《史記》，是後世對韓信佈陣的說法。