垓下之戰在前202年發生，是楚漢戰爭的最後一場大戰，垓下在今安徽省宿州市靈璧縣境內。項羽楚軍約10萬人在此戰中全軍覆沒，劉邦獲勝後建立漢朝。
鴻溝和約之後，彭越攻克昌邑(在今山東省菏澤市鉅野縣和濟寧市金鄉縣境內)旁二十多個城邑，繳獲穀物十多萬斛，用作漢王的軍糧，而劉邦趁項羽退軍之際率領漢軍發起追殲在陽夏(今河南省周口市太康縣)大破項羽率領楚軍，俘虜楚國大將周將軍及五千楚軍，劉邦到固陵(今河南省周口市太康縣南)後，命令劉賈渡淮河，攻下壽春(今安徽省淮南市壽縣)，派人策反楚國大司馬周殷。
此時，靳歙還在攻打濟陽(今山東省濟南市濟陽縣)的項悍並將其擊敗，隨後與劉邦會合陳縣(今河南省周口市淮陽縣)夾擊項羽，灌嬰在攻克彭城(今江蘇省徐州市)後還在平定彭城周邊地區，得亞將周蘭。宣曲侯丁義、汾陽侯靳強及投降的楚將靈常率先攻破固陵守軍大破鍾離昧，項羽向南逃跑到陳縣，劉邦與灌嬰在頤鄉河南省周口市鹿邑縣會合，劉邦率領漢軍主動出擊(有周勃、樊噲、灌嬰、靳歙、夏侯嬰、蠱逢、丁義、靳強、靈常)等將領，在陳下(今河南省周口市淮陽縣)斬殺楚軍十幾個大將。項羽在陳下大敗，陳公利幾投降，漢軍佔領陳縣。
漢軍陳下之戰勝利後，項羽已處於絕對劣勢。彭城已被灌嬰攻佔了，截斷了他的退路，無法回江東老家，劉邦已派英布、劉賈攻佔了壽春，而項羽的大司馬周殷又在舒(古舒國，在今安徽省合肥市廬江縣)叛變，使項羽無法從這條路線撤往江東。北路、南路都不通，周殷以舒縣的兵力屠戮了六縣(今安徽省六安市)，與英布一同北上攻打項羽，項羽繼續逃跑，欲前往會稽(秦置會稽郡，郡治在吳縣?今江蘇省蘇州市城區?)。 劉賈、周殷、英布攻下城父(今安徽省亳州市譙城區城父鎮)堵截項羽，項羽逃到垓下，劉邦與劉賈、周殷、英布會合，韓信及彭越看到項羽大勢已去，也前往垓下與劉邦會合。
韓信、彭越、英布等會合劉邦後，漢軍參戰兵力已超過60萬人，十二月(前202年初，當時以十月爲歲首)在垓下將向江南撤退的10萬楚軍層層包圍。漢軍以韓信親率30萬人爲前軍，劉邦調度孔聚爲左翼，陳賀(費將軍)爲右翼，劉邦坐鎮中軍，周勃、柴武等預備軍在劉邦軍後待命。韓信親率前軍發動攻勢，初戰進攻受挫後退，在楚軍準備追擊時，劉邦即時調度漢軍左右兩翼迂迴夾擊楚軍，兩軍短兵相接陷入膠着，這時韓信率領前軍翻身再戰，以及彭越、英布、劉賈、周殷等諸侯從各處圍攻楚軍，楚軍在三面夾擊中被擊敗。項羽被迫退回垓下城。
楚軍在垓下之戰中受到決定性失利，然而仍然有着激烈的抵抗。劉邦乃設計令漢兵學唱江東楚國民謠，是夜，四面皆楚歌，楚軍自項羽以下莫不以爲漢已盡得楚地，乃士氣崩潰。項羽率八百騎乘夜向南突圍，渡過淮水後，身邊只剩百餘騎。漢軍至黎明時才發覺項羽脫逃，由漢將灌嬰率五千騎追殺。楚軍一度迷路，在東城(今安徽省滁州市定遠縣南)被追上。幾度衝突後，項羽身邊僅剩26人，烏江(今安徽省馬鞍山市和縣烏江鎮)亭長建議他前往江東，但項羽自覺起兵有八千江東子弟追隨，今日孤身而還，無顏見江東父老，不願過江，不久，漢軍數千騎追至，項羽令二十六騎下馬步戰，斃殺漢軍五百餘人後，乃揮劍自刎而亡。
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