漢五年十二月，劉邦、韓信、劉賈、彭越、英布等五路大軍於垓下（今安徽靈璧南，一說今河南淮陽、鹿邑間）基本完成了對10萬楚軍的合圍。劉邦立刻任命韓信為聯軍統帥，指揮大軍作戰。韓信命劉賈、英布軍自南將楚軍週邊出路全部封閉，命彭越軍自北封閉通路，韓信軍三十萬於劉邦本部軍主力則合成一股，向困守垓下的十萬楚軍發起進攻，展開決戰！
首先，韓信率五陣大軍先行向楚軍發動挑腥性進攻。項羽立刻率十萬楚軍發動中央突破作戰，矛頭直制韓信本部。項羽親自率軍出擊，衝鋒在前，楚軍以騎兵在前、步兵在後隨其衝鋒。漢軍接戰，前陣立刻被擊潰。韓信立刻命令大軍後撤，以三十萬大軍為屏障掩護指揮部和劉邦的十萬人馬向後退去。漢軍且戰且退，楚軍則是繼續孤注一擲的瘋狂突擊，項羽本人更加是一馬當先，衝鋒速度之快甚至將十萬楚軍將士統統甩在了後面，連楚軍騎兵都沒有一人能趕上。一路上，漢軍如烏雲一般層層疊疊，一眼望去，滿上遍野。項羽率十萬將士猛打猛攻，連破漢軍數道防線，三十萬大軍潰散一半多，一路之上無人可擋，直殺向韓信本人。
而另一方面，當韓信以前陣為屏障掩護劉邦軍回撤退避的同時，孔熙、陳賀所率的左右兩軍也自楚軍左右兩側進行著迂回機動，其意思便是為了節制楚軍進攻側翼、分離楚軍騎兵步兵之間的配合、遷制楚軍進攻。
經過半日撕殺，楚軍破軍無數，韓信的前軍幾乎被打成了廢渣，但項羽依然沒能突入漢軍指揮部，韓信始終不斷的向後退卻，始終沒有出現在項羽面前。而項羽過於猛烈的衝鋒，卻明顯拉開了軍隊前後的距離。當時的楚軍，項羽本人脫離全軍沖風在前、衝開敵軍一道道兵列線；後面是速度較快的主力騎兵急趕項羽、並將被項羽本人打開缺口的漢軍散兵一一沖散踏過；而最後面的是速度最慢的步兵部隊，他們與未被騎兵踩死的漢兵一邊撕殺一邊繼續追趕騎兵。楚軍隊形越來越散、越拉越長，已經漸漸失去了緊密的隊形和互相之間的配合。
戰至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂回急進，終於完成了前後夾擊之勢。漢軍左右軍隨之投入了對楚軍後方則翼的進攻，以緊密的陣形兩面壓來，迅速合圍了落在後面的楚軍步兵。楚軍將士殊死抵抗，兩軍官兵絞鬥在一起，立刻陷入交戰狀態，將楚軍步兵、騎兵一分兩半，楚軍攻勢隨之被遷制。項羽不得已，只好率殘存騎兵回師而去、救援步兵。
當得知左右軍完成迂回並發動了對楚軍後方步兵的進攻之時，韓信隨即組織反擊，並將劉邦主力以及所剩的全部中軍投入反衝擊。
漢軍向項羽和楚軍前鋒騎兵反撲而來。數十萬漢軍向楚軍發起了前後夾擊。項羽見勢不妙，立刻率全軍向反方向突圍，衝開漢左右軍的包圍，退回營中。此戰，楚軍陣亡四萬，被俘兩萬，僅剩不到四萬傷兵隨項羽退回陣中，漢軍亦傷亡十幾萬，付出了遠高於楚軍的代價。
隨後，韓信率領全軍、並收攏此前被楚軍沖散的部隊全數壓上，並徹底包圍了楚軍大營。至此垓下決戰到此結束。