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。
“鸿沟和议”之后，项羽率兵东撤，刘邦则在张良、陈平的建议下撕毁协议率兵追击，同时令齐王韩信、梁王彭越尽数挥军南下，又令刘贾联合英布自淮地北上，五路大军对项羽展开合击。项羽撤退至阳夏后，被刘邦大军追杀，项羽战败，楚国大将周将军被俘，项羽被迫退至固陵，并留钟离眜驻守固陵保证后路安全，刘邦追击至固陵，被断后的钟离眜击败，不得不暂时停止追击，项羽得到了短暂的喘息之机。
等项羽逃到乌江边的时候，身边只剩下十几个亲信，想想当年意气风发打天下，如今却这番潦倒，项羽实在无颜面面对江东的父老乡亲，拔剑自刎。而且，哪怕项羽真的渡江了，能不能逃TUO其实也不好说，毕竟以韩信的兵法谋略，都算到项羽会逃到乌江这一步了，不在乌江对面埋伏一支兵马，似乎也不是他的风格。
