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，韩信军三十万于刘邦本部军主力则合成一股，向困守垓下的十万楚军发起进攻，展开决战！
首先，韩信率五阵大军先行向楚军发动挑腥性进攻。项羽立刻率十万楚军发动中央突破作战，矛头直制韩信本部。项羽亲自率军出击，冲锋在前，楚军以骑兵在前、步兵在后随其冲锋。汉军接战，前阵立刻被击溃。韩信立刻命令大军后撤，以三十万大军为屏障掩护指挥部和刘邦的十万人马向后退去。汉军且战且退，楚军则是继续孤注一掷的疯狂突击，项羽本人更加是一马当先，冲锋速度之快甚至将十万楚军将士统统甩在了后面，连楚军骑兵都没有一人能赶上。一路上，汉军如乌云一般层层叠叠，一眼望去，满上遍野。项羽率十万将士猛打猛攻，连破汉军数道防线，三十万大军溃散一半多，一路之上无人可挡，直杀向韩信本人。
而另一方面，当韩信以前阵为屏障掩护刘邦军回撤退避的同时，孔熙、陈贺所率的左右两军也自楚军左右两侧进行着迂回机动，其意思便是为了节制楚军进攻侧翼、分离楚军骑兵步兵之间的配合、迁制楚军进攻。
经过半日撕杀，楚军破军无数，韩信的前军几乎被打成了废渣，但项羽依然没能突入汉军指挥部，韩信始终不断的向后退却，始终没有出现在项羽面前。而项羽过于猛烈的冲锋，却明显拉开了军队前后的距离。当时的楚军，项羽本人脱离全军冲风在前、冲开敌军一道道兵列线；后面是速度较快的主力骑兵急赶项羽、并将被项羽本人打开缺口的汉军散兵一一冲散踏过；而最后面的是速度最慢的步兵部队，他们与未被骑兵踩死的汉兵一边撕杀一边继续追赶骑兵。楚军队形越来越散、越拉越长，已经渐渐失去了紧密的队形和互相之间的配合。
战至下午，汉军中军一退再退，左右两军迂回急进，终于完成了前后夹击之势。汉军左右军随之投入了对楚军后方则翼的进攻，以紧密的阵形两面压来，迅速合围了落在后面的楚军步兵。楚军将士殊死抵抗，两军官兵绞斗在一起，立刻陷入交战状态，将楚军步兵、骑兵一分两半，楚军攻势随之被迁制。项羽不得已，只好率残存骑兵回师而去、救援步兵。
当得知左右军完成迂回并发动了对楚军后方步兵的进攻之时，韩信随即组织反击，并将刘邦主力以及所剩的全部中军投入反冲击。
汉军向项羽和楚军前锋骑兵反扑而来。数十万汉军向楚军发起了前后夹击。项羽见势不妙，立刻率全军向反方向突围，冲开汉左右军的包围，退回营中。此战，楚军阵亡四万，被俘两万，仅剩不到四万伤兵随项羽退回阵中，汉军亦伤亡十几万，付出了远高于楚军的代价。
随后，韩信率领全军、并收拢此前被楚军冲散的部队全数压上，并彻底包围了楚军大营。至此垓下决战到此结束。