漢王調動五個諸侯國軍隊，共五十六萬人，東出函穀關，向東討伐楚國。項羽聽到消息後，安排其他楚軍將領繼續掃蕩齊國，項羽親自率領三萬精兵，從魯國向南經胡陵縣，回軍救援楚國。漢王此時已經攻下楚國都城——彭城，將楚國的財寶美人盡收入囊中，與將領們在彭城大擺酒宴慶賀勝利。項羽從淩晨在蕭縣發起進攻，一路向東橫掃，一直打到彭城，天近中午，聯軍大敗。失敗的聯軍狼奔豕突，退往穀水河、泗水河；又向南，翻越山梁逃走。楚軍一路追殺至靈壁（今安徽省宿州市靈璧縣，楚漢決戰的垓下也在此地。）東邊的睢水邊，聯軍慌不擇路，被楚軍趕上，死傷無數；十餘萬聯軍被追殺進睢水河中，死屍壅塞，睢水斷流。漢王劉邦與數十名騎兵倉皇逃走，詳情記載在《高帝紀》。劉邦的父親劉公、妻子呂雉在戰亂中也在尋找漢王劉邦，不幸落入楚軍手中，楚軍把他們帶了回去，項羽將他們羈押在楚軍營中。
漢王劉邦很快收攏了打散的漢軍，蕭何也在關中征調兵源補充滎陽前線，漢軍與楚軍在京縣、索邑之間展開拉鋸戰，終於遏製住楚軍的攻勢，楚軍不能越過滎陽，向西進攻漢國領地。漢軍將主力駐紮在滎陽，修築甬道，運送敖倉的糧食，以資軍用。漢紀元三年（公元前204年），項羽的楚軍數次阻斷漢軍運糧的甬道，漢王劉邦軍糧匱乏，提出要與項羽談判，將滎陽以西劃歸漢國，項羽也打算接受劉邦提出的條件，曆陽侯範增說：“打敗劉邦已經很容易，現在不下定決心，以後會追悔莫及。”項羽於是加緊了對滎陽的攻勢。漢王劉邦憂心忡忡，交予陳平四萬斤金子，由陳平任意處置，用來離間楚國君臣（詳情記載在《陳平傳》中）。項羽中了陳平的反間計，對範增的忠心產生懷疑，削去範增的一部分權力，範增大怒，說：“天下大事已定，君王好自為之！希望賜還我這把老骨頭回家。”還沒有走到彭城，範增背上的毒瘡發作，死在回家的途中。漢將紀信喬裝打扮成漢王，出城投降，欺騙楚軍，漢王劉邦乘此機會率領數十名騎兵，從西門逃出。劉邦走之前，命令周苛、樅公、魏豹繼續固守滎陽。漢王西行，穿過函穀關，回到關中招募援兵，帶著募集來的漢軍，此次劉邦從武關出關，在南陽郡的宛縣、葉縣之間活動，與叛楚的九江王黥布合兵一處，收攏打散的軍隊，項羽得知劉邦的新動向之後，遂率領楚軍向南迎擊漢軍，漢王此時深溝高壘，不敢再與楚軍正麵交鋒。
在當時，彭越渡過睢河，與楚軍將領項聲、薛公在下邳大戰，斬殺薛公。項羽隨即回軍向東迎戰彭越，漢王乘此機會率領漢軍向北，抵達成皋。項羽趕走了彭越，又引兵向西攻下滎陽城，抓住周苛烹殺，殺掉樅公，俘虜韓王信，而後又率領楚軍圍攻成皋。漢王劉邦再一次狼狽地逃出成皋，身邊隻帶著滕公北渡黃河，抵達修武縣，來到張耳、韓信的大營中。楚軍遂占領成皋。漢王在韓信的大營中控製了韓信的軍隊，暫時駐留下來，派出盧綰、劉賈從白馬津渡過黃河深入楚地，輔佐彭越一起擾亂楚軍的後勤補給，在燕縣城郭西邊打敗楚軍，焚燒楚軍的軍糧、後勤補給，又攻下楚國在梁（魏）地的十餘座城池。項羽聽到消息後，對海春侯大司馬曹咎說：“你小心守衛住成皋。即使漢軍前來挑戰，你也不要輕易應戰，守住成皋，他們就不能再向東前進，我十五日內一定會平定梁地，而後馬上回來與將軍會合。”於是項羽率領楚軍向東迎戰彭越。
漢紀元四年（公元前203年），項羽率軍進攻陳留縣、外黃縣，外黃縣最初沒有攻下來。數日後外黃縣投降，項羽將外黃縣年齡在十五歲以上的男子，全部趕往城的東邊，要將他們全部坑殺。外黃縣令家臣的兒子，年紀隻有十三歲，前去遊說項羽，他說：“彭越強迫外黃縣投降，外黃縣人恐怕遭到屠殺，被迫投降，等待大王的到來。現在大王來了，又要將他們全部坑殺，百姓以後還敢再歸附楚國嗎！從此地向東，梁地還有十餘座城邑，掌握在彭越手中，一旦他們知道了外黃縣的遭遇，百姓們會因為害怕，不會再輕易降楚。”項羽認為他講的話有道理，赦免了要坑殺的外黃縣人，楚軍向東直達睢陽，沿途的百姓聞風，紛紛獻城投降。
漢軍果然向駐紮在成皋的楚軍挑戰，楚軍不肯出戰。漢軍派出士兵在城下辱罵大司馬曹咎，五六天過去了，大司馬曹咎終於被激怒，親自率領楚軍渡過汜（sì）水河追擊漢軍（注：此處原書有誤，是汜水，而不是氾水，氾水在今山東省定陶縣北）。楚軍剛渡過一半，漢軍的伏兵突然出現截擊楚軍，將楚國的金玉財寶盡行繳獲。大司馬曹咎、長史司馬欣兵敗，二人在汜水河邊自剄。曹咎原來是蘄縣秦政府的獄椽，司馬欣是起義軍進駐鹹陽後被項羽封為塞王的諸侯王，二人均受到項羽信任。項羽在睢陽縣聽到成皋失守，二位將軍自殺的消息，隨即率領楚軍趕回。漢軍此時正在滎陽以東圍困楚將鍾離眜的部隊，聽到項羽趕來的消息，漢軍人人驚恐，即刻將軍隊撤回至險要地帶據守。項羽把楚軍布置在廣武縣，與漢軍隔著廣武澗，楚漢兩軍對峙。項羽讓人在陣前準備了一個高高的案子，把劉太公綁縛在上邊，對漢王劉邦喊話，說：“再不投降，我就把劉太公活活烹殺。”漢王劉邦眼望著楚軍陣營中的情景，劉邦說：“我與將軍，在楚懷王麵前同時受命，二人相約互為兄弟，我父親就是你的父親。你一定要烹殺你的父親，那麼吃你父親肉的時候，請分一杯肉湯給我。”項羽聽到這樣的對話，氣得就要殺掉劉太公。項伯勸道：“天下大事，目前還未決出勝負。打天下的人，不會顧及小家，你就是殺了劉太公，也不能解決問題，反而會激起漢軍的鬥誌。”項羽認為項伯的話也有道理。於是派人告訴漢王劉邦，說：“天下洶洶，就是因為我們二人互不相讓，我願意向漢王挑戰，二人在陣前決一雌雄，別讓天下人因為我們二人，而困苦不堪。”劉邦笑著拒絕了項羽的挑戰，劉邦說：“我願意與項王鬥智，不與項王鬥力。”項羽命令楚軍中的猛士向漢軍挑戰。漢軍中有一名來自樓煩的神箭手，楚軍三次派人挑戰，三次被樓煩將軍一箭斃命。項羽大怒，身披鎧甲，手持長戟，單人匹馬衝出楚軍營地。樓煩將軍正要張弓搭箭，射殺來者，項羽環目圓睜，大聲怒吼。樓煩將軍竟然目不敢視，手不敢舉，慌忙退回到漢軍營壁中，嚇得不敢露麵。劉邦派人在暗中打探，才知道出陣的將軍是項羽本人，劉邦對項羽的神威異常震驚。於是項羽與劉邦隔著廣武澗開始對話，劉邦曆數項羽逆天行事的十大罪狀（詳情記載在《高帝紀》中）。項羽聞言大怒，埋伏的弓弩手用暗箭射傷了劉邦，劉邦帶傷返回成皋。
此時的彭越率軍在梁地多次襲擊楚軍後勤，斷絕楚軍的糧草供應，韓信正在平定齊國，也在準備著出擊楚軍。項羽任命自己叔伯的兒子項它為大將，龍且為副將，率領楚軍前往救援齊國。韓信打敗了龍且率領的楚軍，斬殺龍且，乘勝追擊至成陽縣，俘虜了齊王田廣，齊地遂被韓信平定，劉邦封韓信為齊王。項羽得知齊國的戰況，對楚軍當前的處境更加憂慮，於是派武涉前往齊國遊說韓信（詳情記載在《韓信傳》中）。
此時的戰局，漢軍已經從關中調來了大批生力軍，糧食供應充足，項羽率領的楚軍，卻已經是糧草匱乏。劉邦派侯公前去與項羽談判，項羽接受了劉邦提出的條件，中分天下，鴻溝以西為漢所有，鴻溝以東為楚所有，項羽送回了劉邦的父親、妻子。談判協議剛一達成，項羽隨即拔營撤軍，率領楚軍向東撤退。漢紀元五年（公元前202年），漢王率領漢軍在楚軍後邊尾隨，抵達固陵縣（今河南信陽市固始縣），項羽率領楚軍一個反擊，將漢軍打得丟盔卸甲。此次漢王劉邦采用了張良的計策，調動齊王韓信、建成侯彭越的軍隊。在此前，劉邦派劉賈深入進楚國後方，圍困壽春縣（今安徽壽縣），楚國大司馬周殷叛楚降漢，率領九江國的楚軍，聽候漢將軍劉賈的調遣，迎接原九江王黥布返回九江國。此時九江軍與齊國、梁國的漢軍合兵一處，前來圍困項羽。
項羽率領楚軍駐紮在垓下（今安徽省宿州市靈璧縣），楚軍此時已經是大量減員，糧草幾乎消耗殆盡。劉邦率領各路諸侯帶來的漢軍，將項羽團團圍困。項羽半夜裏聽到楚營的周圍，漢軍傳唱著楚歌，項羽大驚失色，項羽說：“漢軍難道奪取了楚國的後方？為什麼會有這麼多人在傳唱楚歌！”在營帳中，項羽擺出美酒，舉杯暢飲。項羽的侍妾，美人虞姬，始終跟隨著項羽南征北戰；項羽的坐騎，一匹烏騅馬，是項羽征戰多年馳騁沙場的戰馬，此時也在昂首嘶鳴。睹此情景，項羽不禁慷慨激憤，悲不自禁，做詩唱道：“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！”連唱數遍，美人虞姬伴隨著歌聲起舞。項羽眼中湧出數行英雄淚，左右人悲痛失聲，不敢仰視。
項羽隨後跨上戰馬，麾下還有騎兵隨從八百餘人，乘著夜色直奔南麵，突出重圍。待到天明，漢軍才發現項羽已經突圍而去，漢王即刻命令騎兵將軍灌嬰，率領五千騎兵追趕項羽。項羽渡過淮河，還有跟隨的楚軍騎兵一百餘人。項羽隨後逃到陰陵縣（今安徽定遠縣），迷失道路，問一位田間的老農，老農欺騙項羽，故意指錯道路，說：“向東走”。向東，是一片大水澤，項羽及其隨從隨即陷在水澤中，耽誤了脫身的時間，漢軍騎兵又追趕上來。項羽再次向東突圍，抵達東城縣，跟隨的楚軍騎兵還有二十八騎，後邊有數千漢軍騎兵追擊，項羽分析形勢，估計已經難以脫身，對追隨的二十八位忠心耿耿的騎士說：“我起兵以來，至今八年，身曆七十餘戰，所擋者破，所擊者服，從來沒有敗過，最終稱霸於天下。而今，卻要困死在此地，這是天要亡我，不是因為戰敗。在這裏，我要決一死戰，向你們展示我的快戰，而且一定是三戰三勝，斬將，奪旗，而後死，讓諸君知道，不是我用兵失敗，是天要亡我啊。”於是項羽率領二十八騎，在一座叫做四隤山的小山丘上，向外擺開陣勢。漢軍數千騎兵將項羽及其二十八騎團團圍困住。項羽對著二十八騎豪言道：“我要為你們取一位漢軍將領的首級。”項羽令二十八騎分為四隊向山下衝擊，約定在小山的東麵再聚為三處。在當時，項羽神威大振，飛馳而下，圍困的漢軍膽顫心驚，乘亂項羽斬殺一員漢將。楊喜是漢軍的郎騎，在後邊緊追項羽，項羽回首，猛喝一聲，楊喜人馬俱驚，竟然狂奔數裏後才勒住馬韁。項羽與其他楚軍騎兵分為三處。漢軍不知道項羽此時在那一隊騎兵，也把漢軍分為三部分，團團圍困住這三隊楚軍。項羽縱馬疾騁，又斬殺一名漢軍都尉，被殺的漢軍將士前後有數百人，然後二十八騎再次彙聚在一起，僅損失兩騎。項羽環顧楚軍騎士，豪邁地問：“如何？”眾騎士皆佩服，說：“大王神威。”
於是項羽再次引兵向東，抵達烏江邊（在今安徽定遠縣境內）。恰遇烏江亭長在江邊準備了一條渡船，烏江亭長對項羽講：“江東雖小，地方千裏，兵力還有數十萬，足以稱王。請大王趕快上船，現在江上隻有臣這一條船，漢軍即使追來，也沒有渡江的船隻。”項羽笑道：“天要亡我，渡過江去又怎樣！項籍當年率領八千江東子弟，渡江向西，今天無一人還家，即使江東父老同情我，再次尊我為王，我還有何麵目再去麵對他們？即使他們沒有怨言，項籍我難道心中無愧！”遂對烏江亭長說：“我知道您是一位忠厚長者，這匹戰馬，我已經騎了五年，此馬久經沙場，所向無敵，曾經伴隨著我日行千裏，我不忍心殺它，賜於您了。”遂下令跟隨的騎士，全部下馬，手持短兵器與漢軍接戰，項羽獨自斬殺漢軍數百人。自己也身受創傷十餘處。當此時，項羽回過頭來，看見漢軍騎兵司馬呂馬童，項羽說：“這不是我楚軍中從前的將軍嗎？”呂馬童凝視著項羽，手指著項羽對漢軍將領王翳說：“這就是項王。”項羽對呂馬童說：“我聽說漢王劉邦要用千金買我的人頭，還可以享受食邑一萬戶，這份好處，我送給你啦。”遂拔劍自刎。王翳拿到項羽的人頭，其餘將領為搶奪項羽的屍身，在混亂中踩踏，拔劍相向，爭奪中，數十人死傷。最後將軍楊喜、呂馬童、郎中呂勝、楊武各搶得項羽屍身一部分。漢王劉邦將封賞分予五人，五人均受封為列侯。
劉邦以魯公封號將項羽埋葬在穀城縣（今山東省泰安市東平縣）。項羽的各位親屬沒有被殺。項伯等四人被漢王封為列侯，劉邦賜他們為劉姓。
讚辭如下：賈誼曾經寫過《過秦論》，論中講：
秦孝公憑借崤山、函穀關險阻，擁有雍州之地，君臣固守，窺視周室，有席卷天下，包舉宇內，囊括四海，吞並八荒之心。在當時，商君輔政，內修法度，獎勵耕織，整修武備，對外連橫，巧鬥諸侯。卻看秦人拱手，攫取黃河以西土地。
孝公去世以後，文、武、昭、襄繼承孝公所創立的基業，按照既定方針，南取漢中，西奪巴蜀，東割膏腴之地，兼收要害之郡。諸侯惶恐會盟，商討如何製秦，不愛惜珍器寶物、肥沃土地，用以招攬天下名士，締結合縱盟約，盟誓團結一心。正可謂，齊有孟嚐，趙有平原，楚有春申，魏有信陵，四位賢君，皆具有明智忠信，寬厚愛人，尊賢敬士之美譽。約定合縱，摒棄連橫，將韓、魏、燕、趙、宋、衛、中山諸國聯合在一起。六國有寧越、徐尚、蘇秦、杜赫等智謀奇士，兼有齊明、周最、陳軫、召滑、樓緩、翟景、蘇厲、樂毅等通達賢士，還有吳起、孫臏、帶他、兒良、王廖、田忌、廉頗、趙奢等熟諳兵法的將軍。以超過秦國十倍的土地，百萬如同虎狼的軍隊，扣擊函穀關、武關，進軍挑戰秦國。秦人開關拒敵，九國之師逡巡不前。秦國不費一兵一卒，諸侯聯軍已經顯露出疲態。於是乎，合縱盟約形同廢紙，諸侯繼而爭相割地，討好強秦。秦國趁其勢而製其弊，縱馬馳騁，蹂躪諸侯，伏屍百萬，流血漂櫓，隨心所欲，宰割天下，分裂山河。迫使大國屈膝，小國貢獻。
秦國在孝文、莊襄時期，兩位君王在位時間很短，國家無事。
始皇帝繼位以後，借六世君王之餘威，再定方略，兼並海內，吞並東西二周，滅亡六國諸侯，君臨天下，安撫黎民，鞭笞天下，威震四海，俯仰隨意。南取百粵之地，設置桂林、象郡。百粵之君俯首稱臣，聽命於秦廷。在此後，始皇派遣蒙恬北築長城，拒胡虜於徼外，逼退匈奴後撤七百餘裏，胡人不敢南下牧馬，勇士不敢彎弓雪恨。於是認為，先聖之道可廢，百家之言可黜，黔首之智可愚。遂拆毀名城，誅殺豪俊，收天下兵器，聚之鹹陽，熔鑄鋒鏑，鑄成十二金人，以為天下百姓，從此不敢逞強。而後，秦國以華山為城，以黃河為池，盤踞巍峨雄關，俯臨不測河川，以為江山已固。始皇任命虎賁良將，強弓勁弩，把守住要害之地，忠臣良士，精兵強將，傲視天下，試看誰敢奈何。天下已定，始皇之心，總以為關中穩固，沃野千裏，能夠成就帝王霸業，子孫可以傳承千秋萬世，永續不絕。
始皇駕崩，餘威仍然威懾海內。然而陳涉，一介甕牖繩樞之氓，躬耕壟畝之徒，受征戍邊之隸，材能不及中庸，沒有仲尼、墨翟的才智，沒有陶朱、倚頓的財富。行走在行伍之間，勞作於阡陌之上，率領疲敝之師，指揮烏合之眾，卻能夠舉義伐秦。揭竿為旗，斬木為兵，天下豪傑，一呼百應，生死相從。崤山以東，英雄並起，終使得強秦土崩瓦解。
天下並未遽變；雍州依然富饒，崤函依然穩固，一如既往。陳涉地位，難以仰視齊、楚、燕、趙、韓、魏、宋、衛、中山之國君；鋤耰（yōu）棘矜，怎能抵禦鉤戟長铩之鋒銳；謫戍愚氓之徒，豈敢傲視九國虎賁之大軍；深謀遠慮，用兵之道，又豈能與智謀之士相提並論。然而成敗轉換，功過相反，竟有如此遽變？比較崤山以東大國與陳涉匹夫，長短較量，權力衡量，其結果竟然如此不堪。秦國以區區之地，終獲萬乘之國，天下八州，同時朝拜，作威作福，一百餘年，最終將六合統為一家，崤山、函穀，視為宮門。隻因匹夫發難，竟使七廟墜毀，皇權傾覆，祖業湮沒，為天下人所笑談，如此下場，能不哀歎？秦政不施仁義，致使攻守之勢轉換。
周先生曾經講過，“上古時舜帝有兩個瞳孔”，項羽也有兩個瞳孔，難道項羽是舜帝的後裔嗎？項羽的崛起是何等地迅猛！秦失其正道，陳涉首先發難，群雄並起，天下紛擾，相與爭奪，英雄難以計數。項羽並無尺寸封土，在亂世中奮起於民間，然而僅用三年時間，率領五路諸侯打敗強秦，重新分割天下，將軍威武，威震海內，而後分封天下諸侯，大權在握，號稱‘霸王’，雖然功敗垂成，卻是近古以來，從未有過的驚天壯舉。在項羽舍棄關中，懷念故土時，在項羽放逐義帝，痛恨諸侯背叛時，大錯其實早已鑄成。項王自我欣賞，誇耀武功，過於相信自己的力量，鄙視前人的經驗。從霸王享國開始，即迷信使用武力可以經營天下，結果僅過去五年時間，就身死國亡，埋屍於東城，至死仍不省悟，不檢討過失，還自認為是“天亡我，非用兵之罪”，實在是錯上加錯！