韓信沒有同意。

楚漢兩軍相持很久，勝負未決，年輕人厭倦了長期的行軍作戰，老弱者由于運送糧饷疲備不堪。

漢王和項羽隔着廣武澗對話。

項羽要跟漢王單獨決一雌雄，漢王則一項一項地列舉項羽的罪狀說：“當初我和你項羽一同受懷王之命，說定了先入關中者在關中為王，你項羽違背了約定，讓我在蜀漢為王，這是你的第一條罪狀。你項羽假托懷王之命，殺了卿子冠軍宋義，而自任上将軍，這是你的第二條罪狀，你項羽奉命援救了趙國，本應當回報懷王，而你項羽卻擅自劫持諸侯的軍隊入關，這是你的第三條罪狀。懷王當初約定入關後不準燒殺擄掠，你卻焚毀秦朝宮室，挖了始皇帝墳墓，私自收取秦地的财物，這是你的第四條罪狀。你硬是殺掉已經投降的秦王子嬰，這是你的第五條罪狀。你采用欺詐手段在新安活埋了二十萬秦兵，卻封賞他們的降将，這是你的第六條罪狀。你項羽把各諸侯的将領都封在好地方，卻遷移趕走原來的諸侯王田市、趙歇、韓廣等，使得他們的臣下為争王位而反叛，這是你的第七條罪狀。你項羽把義帝趕出彭城，自己卻在那裡建都，又侵奪韓王的地盤，把梁、楚之地并在一起據為已有，這是你的第八條罪狀。你項羽派人在江南秘密地殺了義帝，這是你的第九條罪狀。你為人臣子卻謀殺君主，殺害已經投降之人，你為政不公，不守信約，不容于天下，大逆不道，這是你的第十條罪狀。如今我率領義兵和諸侯們來讨你這個殘害人的罪人，隻讓那些受過刑的罪犯就可以掉你項羽，又何必勞累我來跟你挑戰呢？”

項羽十分惱怒，埋伏好的帶機關的箭射中了漢王。漢王傷的是胸部，卻按着腳說：“這個強盜射中了我的腳趾！”

漢王因受箭傷而病倒了，張良硬是請他起來出去巡行，慰勞部隊，以便穩定軍心，不讓楚軍占勝利的威勢壓過漢軍。

漢王出去巡視軍營，病情加重，立即趕回了成臯。

漢王病愈後，西行入關，來到栎陽，慰問當地父老，擺設酒席，殺了原塞王司馬欣，把他的頭懸挂在木杆上示衆。漢王在栎陽停留了四天，又回到軍中，部隊駐紮在廣武。這時候，關中的軍隊出關參戰的也增多了。

這時候，彭越帶兵駐在梁地，往來襲擊騷擾楚軍，斷絕楚軍的糧食供給。田橫前往梁地依附他。

項羽多次攻擊彭越等人，齊王韓信又進兵攻打楚軍，項羽害怕了，就跟漢王約定，平分天下，鴻溝以西的地方劃歸漢，鴻溝以東的地方劃歸楚。項羽送回了漢王的家屬，漢軍官兵都呼喊萬歲，然後項羽回營别去。

項羽罷兵回東方了，漢王也想率軍回西方。但漢王采用張良、陳平的計策，乘楚軍兵疲糧盡，索性就消滅它，于是進兵追趕項羽，到陽夏南面讓部隊駐紮下來，和齊王韓信，建成侯彭越約定日期會合，共同攻擊楚軍。

漢王到達固陵，韓信、彭越卻沒有來會合。

楚軍迎擊漢軍，把漢軍打得大敗。漢王又逃回營壘，深挖壕塹固守。

又采用張良的計策派使者封給韓信、彭越土地，使他們各自為戰，于是韓信、彭越（哥倆好啊，難怪不得最後都被嘎了）都來會合了。

黥布和劉賈進入楚地，圍攻壽春，漢王卻在固陵打了敗仗，于是派人去召大司馬周殷，讓他出動九江軍隊擊迎會武王黥布，行軍途中屠戮了城父（ｆǔ）, 然後随劉賈、齊、梁諸侯的軍隊在垓下大會師。漢王封武王黥布為淮南王。

五年（前202），高祖和諸侯軍共同進攻楚軍，與項羽在垓下決戰。

淮陰侯韓信率領三十萬大軍與楚軍正面對陣，他的部将孔将軍在左邊，費将軍在右邊，漢王領兵随後，绛侯周勃、柴将軍跟在漢王的後面，項羽的軍隊大約有十萬。

淮陰侯首先跟楚軍交鋒，不利，向後退卻。孔将軍、費将軍從左右兩邊縱兵攻上去，楚軍不利，淮陰侯乘勢再次攻上去，大敗楚軍于垓下。

項羽的士兵聽到漢軍唱起了楚地的歌，以為漢軍已經完全占領了楚地，項羽戰敗逃走，楚軍因此全部崩潰。

漢王派騎将灌嬰追殺項羽，一直追到東成，殺了八萬楚兵，終于攻占平定了楚地。隻有魯縣人還為項羽堅守，不肯降服，因為懷王當初封項羽為魯公。漢王就率領諸侯軍北上，把項羽的頭給魯縣的父老們看，魯人這才投降。

于是，漢王按照魯公這一封号的禮儀，把項羽葬在穀城。然後回師定陶，驅馬馳入齊王韓信的軍營，奪了他的兵權。