漢五年十二月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等五路大軍于垓下（今安徽靈璧南，一說(shuō)今河南淮陽(yáng)、鹿邑間)基本完成了對(duì)10萬(wàn)楚軍的合圍。劉邦立刻任命韓信為聯(lián)軍統(tǒng)帥，指揮大軍作戰(zhàn)。韓信命劉賈、英布軍自南將楚軍外圍出路全部封閉，命彭越軍自北封閉通路，韓信軍三十萬(wàn)于劉邦本部軍主力則合成一股，向困守垓下的十萬(wàn)楚軍發(fā)起進(jìn)攻，展開(kāi)決戰(zhàn)！

首先，韓信率五陣大軍先行向楚軍發(fā)動(dòng)挑腥性進(jìn)攻。項(xiàng)羽立刻率十萬(wàn)楚軍發(fā)動(dòng)中央突破作戰(zhàn)，矛頭直制韓信本部。項(xiàng)羽親自率軍出擊，沖鋒在前，楚軍以騎兵在前、步兵在后隨其沖鋒。漢軍接戰(zhàn)，前陣立刻被擊潰。韓信立刻命令大軍后撤，以三十萬(wàn)大軍為屏障掩護(hù)指揮部和劉邦的十萬(wàn)人馬向后退去。漢軍且戰(zhàn)且退，楚軍則是繼續(xù)孤注一擲的瘋狂突擊，項(xiàng)羽本人更加是一馬當(dāng)先，沖鋒速度之快甚至將十萬(wàn)楚軍將士統(tǒng)統(tǒng)甩在了后面，連楚軍騎兵都沒(méi)有一人能趕上。一路上，漢軍如烏云一般層層疊疊，一眼望去，滿上遍野。項(xiàng)羽率十萬(wàn)將士猛打猛攻，連破漢軍數(shù)道防線，三十萬(wàn)大軍潰散一半多，一路之上無(wú)人可擋，直殺向韓信本人。

而另一方面，當(dāng)韓信以前陣為屏障掩護(hù)劉邦軍回撤退避的同時(shí)，孔熙、陳賀所率的左右兩軍也自楚軍左右兩側(cè)進(jìn)行著迂回機(jī)動(dòng)，其意思便是為了節(jié)制楚軍進(jìn)攻側(cè)翼、分離楚軍騎兵步兵之間的配合、遷制楚軍進(jìn)攻。

經(jīng)過(guò)半日撕殺，楚軍破軍無(wú)數(shù)，韓信的前軍幾乎被打成了廢渣，但項(xiàng)羽依然沒(méi)能突入漢軍指揮部，韓信始終不斷的向后退卻，始終沒(méi)有出現(xiàn)在項(xiàng)羽面前。而項(xiàng)羽過(guò)于猛烈的沖鋒，卻明顯拉開(kāi)了軍隊(duì)前后的距離。當(dāng)時(shí)的楚軍，項(xiàng)羽本人脫離全軍沖風(fēng)在前、沖開(kāi)敵軍一道道兵列線；后面是速度較快的主力騎兵急趕項(xiàng)羽、并將被項(xiàng)羽本人打開(kāi)缺口的漢軍散兵一一沖散踏過(guò)；而最后面的是速度最慢的步兵部隊(duì)，他們與未被騎兵踩死的漢兵一邊撕殺一邊繼續(xù)追趕騎兵。楚軍隊(duì)形越來(lái)越散、越拉越長(zhǎng)，已經(jīng)漸漸失去了緊密的隊(duì)形和互相之間的配合。

戰(zhàn)至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂回急進(jìn)，終于完成了前后夾擊之勢(shì)。漢軍左右軍隨之投入了對(duì)楚軍后方則翼的進(jìn)攻，以緊密的陣形兩面壓來(lái)，迅速合圍了落在后面的楚軍步兵。楚軍將士殊死抵抗，兩軍官兵絞斗在一起，立刻陷入交戰(zhàn)狀態(tài)，將楚軍步兵、騎兵一分兩半，楚軍攻勢(shì)隨之被遷制。項(xiàng)羽不得已，只好率殘存騎兵回師而去、救援步兵。

當(dāng)?shù)弥笥臆娡瓿捎鼗夭l(fā)動(dòng)了對(duì)楚軍后方步兵的進(jìn)攻之時(shí)，韓信隨即組織反擊，并將劉邦主力以及所剩的全部中軍投入反沖擊。

漢軍向項(xiàng)羽和楚軍前鋒騎兵反撲而來(lái)。數(shù)十萬(wàn)漢軍向楚軍發(fā)起了前后夾擊。項(xiàng)羽見(jiàn)勢(shì)不妙，立刻率全軍向反方向突圍，沖開(kāi)漢左右軍的包圍，退回營(yíng)中。此戰(zhàn)，楚軍陣亡四萬(wàn)，被俘兩萬(wàn)，僅剩不到四萬(wàn)傷兵隨項(xiàng)羽退回陣中，漢軍亦傷亡十幾萬(wàn)，付出了遠(yuǎn)高于楚軍的代價(jià)。

隨后，韓信率領(lǐng)全軍、并收攏此前被楚軍沖散的部隊(duì)全數(shù)壓上，并徹底包圍了楚軍大營(yíng)。至此垓下決戰(zhàn)到此結(jié)束。