汉五年，由于韩信占领了黄河中、下游的广大地区。彭越又在梁地不断骚扰，使楚军供应困难，形势对项羽越来越不利。而汉军方面，萧何不断从关中运送兵员和粮草，支援前线，刘邦兵足粮足，在荥阳以西稳住了阵脚。
这年十月，刘邦见围歼项羽的时机已到，便率兵出阳夏（今河南太康县），同时传令各路诸侯率军西向，在固陵（今河南淮阳西北）会师。不久，刘邦见韩信、彭越、英布等几路兵马先后到达，心中大喜。当下命韩信为总统领，指挥各路大军；又命萧何、陈平、夏侯婴运输粮草，供应前方。成皋、荥阳一路相连几百里，全部是汉军，鼓声、马声、呐喊声，震天动地。
项羽正带领所部人马回奔彭城。当兵至垓下时，登高西望，见踊跃追来的汉兵差不多与蚂蚁相似，不禁仰天长叹道：“我悔不杀刘邦，竟受他欺骗，与他修和！如今他负约发兵追来，真是岂有此理！”一腔怒火不可遏止，立即命十万将士就地扎营，布兵列阵，与汉军决战。
再说韩信受命汉军总统领之后，将三十万人马分成十队，布置了十面埋伏阵，四环接应，日夜操练，声势浩大。总攻开始，韩信请汉王刘邦守住大营，他自率三万人马上前挑战。士兵按韩信命令，冲着楚营高喊：人心皆背楚，天下已归刘。
韩信屯垓下，要斩霸王头。项羽一听，气得七窍生烟，大骂一声：“这个钻裤裆的叫花子！想必活得不耐烦了，待我先杀了他再说！”怒马突出，不顾一切冲杀过去。部下将士，也一齐奋勇向前。两军相接，交战几个回合，韩信且战且走，引项羽入了包围圈。楚将虞子期怕中埋伏，打马追上项羽，进言道：“韩信多谋，汉军势众，主公不必急于追杀，待我江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再杀他也不迟。”项羽狠狠瞪了虞子期一眼，全不把汉军放在眼里，一直杀奔前去。
突然一声炮响，汉军伏兵两路杀出。两军鏖战一阵，项羽冲开汉军，仍要追杀韩信。又听一声号炮，又有两路伏兵杀出，截住项羽，再度厮杀，不多时，又被项羽冲破。项羽性起，有进无退。接连是炮声大响，汉军伏兵四起，十面埋伏，一齐杀出，将楚军围在核心。楚军将士，大多伤亡，项羽自知中计，渐渐疲敝，只得杀开一条血路，带领残部退回垓下大营。他传谕将士小心坚守，不可轻动，伺机再战。
且说所剩楚兵，不足两三万人，垓下被围，岂能动弹！一晃几日，粮草断绝，外无救兵，不禁陷入一筹莫展的苦境。时值深冬，寒风刺骨，楚军将士忍饥受冻，多有怨声。项羽苦思对付汉军的办法，可又无法可想。这天夜里，寒风凄凄，忽高忽低，像是怒号，又像是哭泣。随着风声，忽听周围楚歌四起，低沉凄怆，如诉如泣。楚军将士也被汉军的楚歌引动了思乡之情，纷纷逃散，一夜之间，项羽身边只剩了千把人。第二天早晨。项羽别姬突围，几经转战，只身来到乌江边（今安徽和县东北40里江岸的乌江浦），见前有滔滔江水，后有大队追兵，心灰意冷，拔剑自刎了。时年31岁。
项羽死后，汉军回师定陶，刘邦与张良、陈平二人密议多时，尔后突然闯入韩信大营，夺了韩信的兵符，并对韩信说：“将军屡建大功，寡人当始终不忘。今天下已定，应休兵息民，将军交还兵符就是了。楚地已平，义帝无子嗣，将军本淮阴人，熟悉楚国风俗，寡人改封将军为楚王。”韩信知刘邦仍记前嫌，心境十分悲凉。
公元前197年（汉十年）九月，陈豨起兵反汉，刘邦率兵亲去征讨，朝政交付吕后。韩信推说有病，没有随同前往。
转年正月，韩信的门客向吕后告发韩信勾结陈豨谋反，吕后听了，不动声色，即与萧何密定了杀韩信的计策。
次日，萧何依计命人去请韩信到相府私宴，韩信称病谢绝。萧何又亲到韩府，以问疾为由，直入内室。萧何告知韩信，陈豨叛军已平，约韩信进宫向吕后道贺。韩信跟着萧何来至长乐殿谒贺吕后。吕后一见韩信，便喝令武士把韩信捆起来，也未等高祖回朝，便下令杀死了韩信。临刑前，韩信高声说：“我落入这女人的圈套，难道是天意吗？”说完，被杀于长乐宫钟室，并被夷灭了三族。
史学家司马迁在韩信死后大约70年以后，为给韩信立传，曾到韩信的故里淮阴去考察他的事迹。得知韩信还是一个普通人时，人穷志不穷，和一般人不一样。生活的贫困，世态的炎凉，并没有使他消沉。他苦练武功，揣摩学问，研究兵法战策。这正是他以后能够驰骋沙场，最终成长为一位杰出的军事家的原因之一。
在辅佐刘邦战胜项羽，建立汉朝的历史过程中，韩信表现出卓越的军事指挥才能，有不可磨灭的历史功绩。后人评论：“汉之所以得天下，大抵皆韩信之功也。”这话不无道理。对韩信“连百万之军，战必胜，攻必取”的军事天才，刘邦也心悦诚服，自叹不如。