韩信自称齐王后，刘邦命先前属于韩信指挥的灌婴别将一军南下，占领楚都彭城和今天苏北、皖北、豫东等广大地区，并与刘邦在陈县会合。在张良献计给刘邦大封齐王韩信土地后，齐王韩信也亲率大军从齐地南下，与刘邦会合于垓下。（按《史记》记载，攻占彭城等地的是汉将灌婴，但是也有学者认为灌婴兵力较少难以完成这一系列任务，认为攻占彭城及苏北、皖北等地的应该是韩信，他们推测是汉初韩信获“谋反罪”后，汉朝史书将韩信的功劳抹杀，移到灌婴头上。）
梁王彭越率军数万从梁地出发，先南下后西进，于刘邦本部军共同逼楚军后退；
汉将刘贾率军数万会同九江王英布，自淮北出发，从西南方发动对楚地的进攻，先克寿春，再攻下城父并将此城军民全部屠尽；
而镇守南线的楚将大司马周殷却在此时叛楚，先屠灭六县，再与英布、刘贾会师，随后北上合击项羽；同时，得到关中兵丁补充的刘邦则率本部军二十多万出固陵东进；
汉军五路大军、合计近七十万之众，形成从西、北、西南、东北四面合围楚军之势，项羽被迫率十万楚军向垓下后撤。
汉五年十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等五路大军于垓下（今安徽灵璧南，一说今河南淮阳、鹿邑间)基本完成了对10万楚军的合围。刘邦立刻任命韩信为联军统帅，指挥大军作战。韩信命刘贾、英布军自南将楚军外围出路全部封闭，命彭越军自北封闭通路，韩信亲率自军主力三十万与刘邦本部军二十万合成一股，向困守垓下的十万楚军发起进攻，展开决战！
垓下之战楚汉两军兵力对比分析
当时的情况，楚军处于绝对劣势：
1、西楚国位于长江以北的全部土地均已失陷，十万楚军成为绝对的孤军；
2、楚军缺粮已经几个月，士兵饥饿，军队根本没有半点补给；
3、汉军联兵约五十万以上，且精力饱满、粮食充足、士气旺盛，而项羽孤军十万，连续久战疲惫，决战之时已是十二月的大冬天，而楚军刚从广武前线上撤下来，未经补给，多为穿着夏秋季的装备，寒冷饥饿，士气溃散；
4、汉军分五路有秩序推进，先占楚土，再行合围，步步为营，包围圈完善，楚军难以发动突然性的反攻；
5、楚军离江东五郡距离遥远，即使冲破包围圈，也很难在汉军的追击下及时回到己方领土，可以说是“突围无效”。
最后进攻
就是在这样一种情况之下，韩信三十万主力与刘邦本部军合兵一股，向盘距于垓下困守的十万楚军发起了最后的围攻！
韩信将主力大军排出了这样一个阵形：韩信亲率三十万大军居中，为前锋主力；将军孔熙率军数万在韩信军左方；陈贺率军数万在韩信军右方；刘邦率本部主力尾随韩信军跟进，将军周勃率军断后。
而项羽方面，对于楚军而言，如今的情况即不能守、也不能退。后勤断绝、无粮而守，无异于坐以待毙，等死！