汉王派郦食其去劝说齐王田广， 停止齐汉敌对行动，共同抗楚。高祖四年冬十月，韩信用蒯通计对齐进行突然袭击。齐王把哄他撤防的郦生烹了，东撤于高密。项羽听说韩信破齐，还企图进攻楚军， 就派龙且率军救齐。
汉兵果然多次向固守成皋的楚军挑战，楚军坚守不出，汉将派人在楚营前辱骂楚军胆小如鼠，长达数日，楚守将大司马曹咎怒不可遏，领兵渡过城东汜水出战，楚军渡过一半，汉兵拦腰截击，大败楚军，获取了成皋城内楚国的全部金玉财宝。楚将大司马曹咎、 长史欣都自刎于汜水之滨。汉王领兵渡过黄河，重新占领成皋，驻军于广武城，取敖仓粮供军用。
项羽攻下梁地十余城， 得悉海春侯曹咎被汉军打败，就引兵还取成皋。汉军正围困楚将钟离？于荥阳之东，听说项羽兵到， 都去扼守险阻之处。项羽也驻兵于广武， 与汉对峙。丁壮苦于行军打仗，老弱疲于转运粮草。汉王、 项羽都到广武两军阵前对话。项羽愿意与汉王独身决一雌雄，汉王指责项羽说： “我开始和你都受楚怀王之命，说先定关中的为王。你背负王约，改我王于蜀汉，此罪之一。你假传怀王旨意杀卿子冠军， 取而代之，此罪之二。你受怀王之命救赵应当还报，却擅自劫持诸侯之兵随你入关，此罪之三。怀王命令进入秦地不得暴掠，你烧毁秦朝宫殿， 掘开始皇陵墓，将秦库宝藏占为私有，此罪之四。你又任意杀害已经投降的秦王孺子婴，此罪之五。你残忍地在新安坑无辜秦卒二十万，却又封秦将章邯为王，此罪之六。你给六国诸将分封美地， 而肆意迁徙放逐六国故主，教唆其臣下争当叛逆，此罪之七。你将义帝赶出彭城，夺义帝之都而自都，你夺取韩王地，兼并梁楚地九郡，都划归你的王区，此罪之八。派人谋害义帝于江南， 此罪之九。你为人之臣而弑杀君主，你杀害已降之人，你主封王侯却任意予夺，你主持盟约却背信弃义，实为天下不容，实属大逆不道。此罪之十。我是以义兵和诸侯一道诛杀残贼，派遣愿意立功赎罪的人与你决战， 你有什么资格来向我个人挑 ？ ” 项羽被汉王说得两目冒火，楚军用暗箭射中汉王，汉王的胸部受伤，就抚摸着自己的脚说： “敌人射中了我的足趾。 ” 汉王箭伤发作卧病不起，张良请汉王强忍痛楚起床慰问将士，鼓舞士气。以提防楚军的乘胜进攻。汉王上马巡行各军营，伤痛难忍，就挥鞭策马进入成皋城。
十一月，韩信和灌婴打败楚军，斩杀楚将龙且，乘胜追到城阳， 俘虏齐王田广。齐相田横自立为齐王， 投奔彭越。汉王立张耳为赵王。汉王箭伤已愈，西入关中，到都城栎阳，访问当地父老，并举行宴会。斩原塞王司马欣， 在栎阳城悬首示。停留四天，返回前线，驻军广武。关中士卒大批开赴楚汉战场，而彭越、 田横盘踞梁地，采用游击战骚扰楚兵， 断绝他的粮食通道。
韩信已经破灭齐，派人上书汉王说：“齐与楚相连， 如治理齐地的人权位过轻，没有王号，恐不能镇定齐地。 ” 汉王对于韩信的邀功请赏十分恼怒， 想对韩信发起攻击。张良劝道： “不如顺水推舟封他为王，派他镇守齐地。 ” 春二月，派张良持送王印，立韩信为齐王。秋七月，立英布为淮南王。八月， 开始推行算赋法。北貉、 燕人派一批勇健骑兵来协助汉兵。汉王下令： “军士不幸阵亡的， 派专人为其制作衣衾棺木， 传送回原籍。 ” 四方都感戴其仁爱之心。
项羽自知缺乏盟友与军粮，韩信又从齐地攻打项羽之背，很为担心。汉王派陆贾劝说项羽，请释放汉王之父太公，项羽拒绝。汉王又派侯公去劝说项羽，项羽于是与汉相约，双分天下，以鸿沟为限，沟西为汉，沟东为楚。九月，太公、 吕后回到汉营， 汉军欢呼万岁。于是汉王封侯公为平国君。项羽收兵东归。汉王也想西归，张良、 陈平劝阻道： “于今汉已拥有天下的三分之二，而诸侯归心。楚兵疲粮尽，这正是上天亡楚之时，如不乘其危难而彻底消灭他， 那就是养虎遗患。 ” 汉王听从其计。
高祖五年(前 202 ) 冬十月， 汉王追逐项羽到阳夏南部，停止前进，与齐王韩信、 魏相国彭越约期会师攻击楚兵，汉王兵至固陵，韩、 彭等均未按期会师。项羽领兵攻击汉王的大军，大败汉兵。汉王收兵回原壁垒，掘深沟以自守。汉王忧虑地对张良说： “诸侯不愿顺从我们， 怎么办 ？” 张良答道： “楚兵即使被打败， 韩信与彭越也不会得到增地的利益，他们不来会师是情理中事。要是大王能和他们共同分享胜利成果， 他们就会马上前来会师。韩信立为齐王，并非出于大王本意，韩信对于大王还信心不足。彭越本来平定了梁地，后来大王因为魏王豹来归降的原故，才封彭越为魏相国。今魏王豹已死，彭越也想自己称王，而大王迟迟不予定夺。要是现在能划睢阳以北至谷城的地区给彭越并封他为王，划陈以东至于渤海的地区给齐王韩信，韩信家在楚地， 他本意想收复自己的乡土。大王舍弃此二地以许韩、 彭二人，让他们各自为战， 那楚项就容易打败了。 ” 于是汉王派使者将上述意向通知韩信、 彭越。通知一到，韩彭都引兵前来会师了。十一月， 刘贾攻入楚地， 围困寿春。汉王又派人诱降楚大司马周殷。周殷叛楚，以舒县之兵猛攻六县，率领九江之兵配合英布，合兵进击城父县，英布与刘贾都与汉王会师。
十二月，汉兵合围项羽于垓下。项羽夜间听到四面都是楚歌，知道汉兵已经完全控制了楚兵周围阵地， 就率数百骑弃营突围， 楚军无主而大败。灌婴追斩项羽于东城。楚地完全平定，惟独鲁地不降。汉王率领大军想进行毁灭性的攻击，但被该地将士为项羽守节持义所感动，就停止进攻，只将项羽首级悬示以告知鲁地的父兄，鲁地乃降。原先，怀王封项羽为鲁公，项羽死后，鲁地又为之坚守，因此就以鲁公的仪式葬项羽于济北谷城。汉王为项羽发表讣告， 并到灵前哀悼。汉王封项伯等四人为列侯，赐姓为刘。外地百姓被裹胁到楚地的都遣返原籍。汉王回师到定陶，以迅雷不及掩耳之势进入韩信军营， 削夺了韩信的兵权。原先曾是项羽所立的临江王共敖已死，其子尉继位为王，不肯投降。汉王派卢绾、 刘贾征临江王尉。汉高祖六年春正月，汉王追尊其兄伯号为武哀侯。他下令说： “楚地已经平定，义帝无有后代，想安抚楚地民众， 就另定楚地之主。齐王韩信了解楚地风土人情，现改立为楚王。统辖淮北地区，都于下邳。魏相国建城侯彭越关心魏民，爱护士卒，经常以少击众， 几次打败楚军，就将魏故地赐为他的封地， 号为梁王，都于定陶。 ” 在令中又说： “战争已连续八年，给人民造成严重的灾难，今日天下已经统一安定。除已决死刑外的囚犯都一律赦免。”