汉五年（前202年），刘邦趁项羽无备，楚军饥疲，突然对楚军发动战略追击。
刘邦约韩信从齐地，彭越从梁地南下合围楚军。
然而韩信和彭越并没有前来会师。
刘邦追击楚军至固陵，楚军反击，刘邦大败而归。
为了让韩信、彭越出战，刘邦听从张良之谋，划陈县以东至海边广大地区为韩信封地；封彭越为梁王，划睢阳县以北至谷城为其封地。
并且还要让韩信指挥此次战役。
如此一来，韩信，彭越率兵攻楚。
韩信从齐地南下，占领楚都彭城和苏北、皖北、豫东等广大地区，兵锋直指楚军侧背，彭越亦从梁地西进。
汉将刘贾会同英布自下城父北上；刘邦则率部出固陵东进、汉军形成从南、北、西三面合围楚军之势，项羽被迫向垓下退兵。
垓下之战由此展开！
十二月，汉军与楚军决战于垓下。
汉军由韩信统领，共计三十万，分为六个部分，孔将军孔藂为左翼，费将军陈贺为右翼，刘邦在其后，周勃、柴武在刘邦的部队之后。
楚军由项羽统领，共计约有十万。
韩信先率前锋与项羽交锋，不利，向后退却。
孔藂、陈贺从左右两边纵兵攻上去，楚军不利，韩信乘势再次攻上去，大败楚军于垓下。
楚军大败，退入壁垒坚守，被汉军重重包围。
楚军屡战不胜，兵疲食尽。
夜晚听到汉军从四面传来楚国歌声，项羽大感震惊，认为楚国已经被汉军全部占领。
韩信乘势进攻，楚军大败，十万军队被全歼，项羽逃至东城自刎而死。
垓下之战充分体现了韩信的军事才能。
虽说此次是三十万大军合为项羽十万大军，但如果换成其他人指挥此次战役，很可能会失败！
因为项羽本身的军事能力就远超常人，而且他带领的十万兵马皆是精锐，常年征战拥有很丰富的作战经验。
相比之下，韩信带领的三十万大军很多都是刚刚招募的新兵，而且是多个势力集结在一起，人心不齐，士兵的战斗力有高有低，韩信能统领这些兵马战胜项羽的精锐本身就是奇迹！
而且此战的致胜点在于韩信的攻心之计！四面楚歌可谓是兵不刃血，搅乱了项羽这些精锐的情绪，是华夏古往今来心理战的典范！
项羽失败后，刘邦立刻回到定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，定都下邳。
韩信到楚国后，召见当年给他饭吃的漂母，赏赐她千金。
他召见当年给他饭吃的南昌亭长时，赏赐给对方一百钱，并说：“你，是个目光短浅的人，做好事有始无终。”
随后韩信又召见了曾经侮辱自己，让他从胯裆下爬过去的人，封对方为中尉，并且告诉诸将说：“就是这位壮士，当他侮辱我时，我难道不能杀了他吗？杀了他没有正当理由，所以就忍了下来，这才让我有了今天的成就。”
这些事情也说明韩信是个恩怨分明的人，他的心胸气度也不是常人能比的。
不管别人说他心胸狭隘也好，还是说他狂妄自大也罢，他只按照自己的喜好行事，至于别人的眼光，甚至自己的生死，其实都没有那么重要。
史书记载：韩信向来与项羽旧将钟离眜交好。
项羽兵败后，钟离眜去投奔韩信，刘邦记恨钟离眜，听说他在楚国，便下令楚国逮捕。
当时韩信刚到楚国，巡行县城乡邑，进进出出都带着军队。
汉六年十月（前201年），有人上书控告韩信谋反。