韩信和项羽的首次，也是最后一次的交手，就是在垓下之战。这场战役是汉军对楚军的围歼战，此战之后，项羽乌江自刎，刘邦一统天下，称帝建立西汉政权。刘邦的汉军和项羽的楚军，一直相持不下，最终双方约定，以鸿沟为界，鸿沟以西归刘邦，鸿沟以东归项羽。刘邦同意了项羽的停战请求，项羽为了表示停战的诚意，放回了刘邦的家人刘太公和吕雉。
韩信将这三十万大军分成三部：一部亲自率之，直接迎战项羽;一部由大将孔熙率领，埋伏在左翼;一路由大将陈贺率领，埋伏在右翼。除去韩信三十万，刘邦还自将十万卒为后军，周勃与陈武两支预备队则安排在最后。最终，投入战场的汉军总计四十多万，他们呈三层梯队纵深部署，其中各自内部亦有多重梯队，分工明确，最终，楚军在三面夹击中被击败，项羽被迫退回垓下城。
