同年十一月，刘邦大量征召新军，联合彭越攻打雎阳（今河南商丘南），迫使项羽抽调兵力进行迎战，结果成皋再一次回到了刘邦手中，负责守城的曹咎将军在与汉军的激战中阵亡。
项羽虽然在雎阳击败了彭越，但楚军损失惨重，来不及补充物资和整备军队，便急忙赶往广武（今河南荥阳北）布防，与汉军对峙。不料，韩信和灌婴切断了楚军的退路，楚军粮草短缺，士兵衣甲不整，在这绝望的局面下，项羽被迫接受了与刘邦的议和协议，双方约定以鸿沟为界，西面为汉国疆域，东面归属楚国。
公元前203年，项羽按协议撤军。然而，刘邦在楚军撤退后并未如约回归关中，张良和陈平建议刘邦趁楚军衰弱、人心涣散之际，发动致命一击，彻底消灭楚国。项羽对此猝不及防，楚军在抵抗的同时退守至垓下。刘邦集结了韩信、彭越等众多将领，率领七十余万大军对项羽形成合围之势。
楚军经过连续的苦战，兵力锐减至十万，被汉军围困得如铁桶一般。汉军采用诱敌深入的战术，先佯装败退，引诱项羽及其骑兵追击，随后从两侧对楚军步兵进行夹击。这场战斗中，楚军损失惨重，四万多人战死，两万人被俘，项羽身边仅剩不足两万残兵败将，被迫退回垓下休整。当夜，项羽在营中与虞姬痛饮，忽闻四面楚歌之声，意识到自己已陷入绝境，不禁悲壮地吟唱出了流传千古的《垓下歌》：
“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何。”
这首《垓下歌》表达了项羽英雄末路的悲壮情怀。虞姬深知项羽接下来唯有殊死一搏，她自觉无法同行，以免拖累项羽，于是含泪告别后，毅然自刎。项羽悲痛之余，带领八百精锐骑兵突围，而这恰恰落入了刘邦的圈套，利用歌声迫使项羽主动出击。项羽一路斩杀众多汉军将领和士兵，但韩信、周勃、樊哙等人紧追不舍，项羽历经艰险，终于来到了乌江边，身边的八百勇士仅剩下二十六人。乌江亭长驾船等待，劝项羽渡江暂避，以图东山再起。
项羽仰天苦笑，对亭长说：“昔我领江东子弟数千人渡江打拼天下，今日我一人独回，即便江东父老宽恕于我，我又怎能面对自己的良心。”言毕，汉军追兵已至，项羽与剩余士兵浴血奋战，直至最后一人。项羽身负重伤，最后拔剑自刎。
公元前202年，刘邦在成功击败楚国后，封韩信为楚王，封彭越为越王。众人一致请求刘邦登基称帝，实现江山一统，刘邦最初谦让推辞，但在部下的强烈劝说下，考虑到天下安宁与百姓福祉，最终答应了众人的请求。
公元前202年二月，刘邦在定陶正式登基，建立了汉朝，开启了中国历史的新篇章。