就在刘邦夺回成皋的时候，韩信也取得了伐齐的胜利，汉家可谓双喜临门。可是这场胜利，是很富有戏剧性的。
郦食其在劝刘邦攻打成皋之后，又主动请求任务，去游说齐国投降归顺。
他说：“燕、赵已经归附，只有齐国未下。齐国东有泰山和大海，北有济水，西有浊河，南连楚地，并且齐人历来诈变无常，所以韩信几万兵，恐怕一时难以平定。为了免动刀兵，我愿去游说齐王。”刘邦连声叫好，派遣郦食其出使齐国。
本来郦食其凭他三寸不烂之舌，借助韩信的军事威胁，说服了齐王田广拱手将拥有70余座城市的齐国归附刘邦。可是最后乐极生悲，郦食其不仅功亏一篑，还搭上了性命。
韩信得到郦食其大功告成消息时，就与张耳商议起兵伐楚之事。这时，韩信的谋士蒯彻竭力劝阻，说：“将军奉命伐齐，经过多少努力才到如今这个地步，岂可不战而退？汉王独派郦生到齐游说田广，具体情况如何尚难料定。况且，汉王并未下令制止将军攻齐，怎么能凭郦生一封私人信件，就移兵攻楚呢？郦生，只不过一介儒生，任他那巧嘴滑舌，不用一兵一卒，收复齐国七十余城；而将军却统兵数万，征战不已，方才得到赵国五十余城。将军为大元帅数年，功劳反而不如一位儒生，将军不感到有愧乎？将军与其率兵击楚，不如整顿三军，乘齐无备，直抵齐都，干戈到处，齐王必然束手就擒！”
韩信说：“郦生此行，乃是汉王之命，我如果又兴师讨伐，恐怕违背汉王之令，也对郦生不利！”
蒯彻说：“汉王先派将军伐齐，后又遣郦生游说，这一定是郦生贪功，用言辞鼓动汉王，并非汉王本意。将军回师，诸将也会以为将军无能，此后汉王必然轻武将而重儒生！”
张耳也说：“此言深为有理，将在外，君命有所不受。元帅不要过于拘泥！”
韩信忌郦食其之功，贪下齐之利，于是整顿军马，杀向齐国。
韩信挥师渡过黄河，经过平原，攻历下，斩田解，擒华无伤，直逼齐国都城临淄。
齐王田广终日与郦食其饮酒取乐，听到如此回报，大惊不已，忙着人召见郦食其。齐王田广说：“先生前日得书，说韩信已回成皋，如今怎么又来攻齐？显然通同共谋，使我无备！”
“我来齐国，不是私人行为，是奉汉王明旨而来。如今韩信背约攻齐，不光是卖我，也是欺负汉王。”
齐王说：“先生劝我归汉，如今韩信又兵临城下，先生即使不是欺诈，但是形迹可疑。劳烦先生修书韩信，如果大兵退去，先生实为不欺；如果大兵不退，就是合伙欺我，天理难容。”
郦食其不无感激地说：“写书恐怕不会有多大作用，等我和齐使同去晓以利害，韩信之兵可退。”
齐王嘲笑说：“先生此去，韩信依言退兵，尚可看到你回来；如果韩信不退兵，这不是放虎归山吗？岂有再回来的道理！我正准备留下你作为人质！”
郦食其说：“既然大王怀疑我，我就立即修书给韩信，死生存亡，在此一举！”
韩信见郦食其之书，久久沉默不语。
蒯彻说：“将军还犹豫不决，听从郦生之言退兵吗？”
韩信说：“郦生奉汉王之命游说齐国，我如今攻破齐国，齐国必然加害郦生！恐怕对于汉王的命令，也有所阻碍。”
蒯彻说：“汉王先派将军伐齐，又没有诏令叫你停止，将军伐齐是汉王诏令。既然派遣了将军，又去派郦生，过错在汉王，不在将军，将军有什么可犹豫的呢？”
韩信说：“如果齐国杀了郦生，这跟我杀的有什么两样？我心中实在不忍。”韩信多次得郦食其之助，他是一个很讲情分的人。
蒯彻说：“一个人的性命与平定一国之功，轻重大小，明明白白，元帅向来大智大勇，如今怎么变得如此儿女情长？”
韩信在大功面前，终于失去了心理天平，拒绝回书，对来人说：“郦大夫前日下齐之时，应该先奏明汉王明诏于我，令我暂屯赵境，然后由赵到齐。郦大夫不奏知汉王，私下说齐，贪功领赏，齐国其实是害怕我大兵，假意归顺，不是本心。今日降，明日反，人马征劳，往返之费，这怎么了得！今日一鼓灭之，斩草除根，实为国家着想。如今伤害大夫一人之命，成就我平定一国之功！他日汉王论功行赏，大夫子孙也得裂土封君，不要今日怨我！”
差人进入临淄，将韩信之话细陈一遍。
郦食其闻言，只得大骂一通。
齐王大怒，将郦食其投入油镬烹杀！
韩信贪功不仅增加了他的骄傲情绪，而且为自己将来灭亡埋下了隐患。郦食其借助韩信的军事压力和军事才能，迫使齐王归附刘邦，这对整个汉国来说，具有重要的战略意义。但是韩信贪功，从自己的利益出发，葬送了这次不战而屈人之兵的成果，值得后世反复玩味。
刘邦回到成皋养病，传来了韩信攻下齐国，大败楚将龙且的好消息。刘邦忙遣使祝贺，便约韩信率兵会师灭楚。韩信挟功请赏“假齐王”，刘邦感到很气愤，但是由张良、陈平建议，趁机立韩信为齐王，叫他带兵速来灭楚。
到了此时，项羽才最终认识到韩信的作用，忙派说客武涉游说韩信反汉归楚，但是韩信思念刘邦之情，武涉无功而返。
汉五年（公元前202年）七月，刘邦久等韩信不来，立英布为淮南王，叫他带兵回九江，截断项羽退路；又令彭越在楚、梁大力开展游击战，截断楚军粮道。
项羽军中缺粮，后方不稳。此时张良、陈平劝刘邦乘机讲和，救回太公和吕雉。
项羽求之不得，与刘邦签订条约：鸿沟之西属于楚国，鸿沟之东属于刘邦。项羽签约之后，高高兴兴地带着他的队伍去彭城享受天下太平去了。刘邦父子相聚，夫妻团圆，也想回家乡过几天和平的日子。
张良、陈平力劝刘邦趁此进军，一举消灭项羽；鸿沟签约不过是为了救回太公等人。刘邦经不住众人劝说，决定趁机消灭项羽。
由于韩信占领了黄河中、下游的广大地区，彭越又在梁地不断骚扰，使楚军供应困难，形势对项羽越来越不利。而汉军方面，萧何不断从关中运送兵员和粮草，支援前线，刘邦兵多粮足，在荥阳以西稳住了阵脚。
汉五年十月，刘邦见围歼项羽的时机已经成熟，便采纳张良、陈平的建议，率兵出阳夏，同时以封王为奖励，传令各路诸侯率军西向，在固陵会师。不久，韩信、彭越、英布等诸路兵马先后到达，从成皋到荥阳一路相连数百里，人马跃动，震天动地。刘邦见诸路兵马如期而至，心中大喜，当下命韩信为总统帅，指挥各路大军；又命萧何、夏侯婴运输粮草，供应前方。
汉五年十一月，刘邦率兵进入楚地，围攻寿春。又派人诱使驻舒县的楚国大司马周殷叛楚降汉。到了十二月，终于将项羽围困于回奔彭城的路上垓下。
项羽兵至垓下时，登高西望，只见四面八方的汉兵像蚂蚁一样多，不禁仰天长叹道：“我悔不该当初不杀刘邦，又受他欺骗，与他议和。如今他背约发兵，太无信义了！”项羽怒不可遏，命10万将士就地扎营，布兵列阵，准备与汉军决战。
韩信受命汉军总统帅之后，将30万人马分成10队，布置了十面埋伏阵，四环接应。请刘邦守住大营，他亲率3万人马上前挑战。士兵按韩信命令，冲着楚营高喊：“人心皆背楚，天下已归刘。韩信屯垓下，要斩霸王头！”项羽一听，气得七窍生烟，率众冲杀出去。两军相接，交战几个回合，韩信且战且走，把项羽引进了包围圈。楚将虞子期怕中埋伏，打马追上项羽。劝道：“韩信多谋，汉军势众，主公不必急于追杀，待我江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再杀他也不迟。”此时项羽已怒不可遏，如何能听进这些话，他狠狠瞪了虞子期一眼，全不把汉军放在眼里，一直杀奔过去。
忽然杀声四起，汉军伏兵两路杀出。两军鏖战一阵，项羽冲开汉军，直追韩信。没追出多远，又有两路伏兵杀出，截住项羽，再度厮杀，不多时，又被项羽冲破。项羽气得血往上涌，一心要抓住韩信，径直追去。接连汉军伏兵四起，十面埋伏，一起杀出，将楚军团团围住。项羽方知中计，余气未消，身心俱惫，只得奋力杀开一条血路，带领残部退回垓下大营。
10万楚军经过几番厮杀，剩下的已不足两三万人，垓下被围，岂能动弹！一晃几日过去，粮草断绝，外无援兵，不禁陷入一筹莫展的苦境。时值隆冬，寒风刺骨，雪飞冰凝，楚军将士忍饥受冻，多有怨声。这天夜里，寒风凄凄，忽高忽低，像是怒号，又像是哭泣。随着凄切的风声，四面隐约地传来楚歌，低沉凄怆，如泣如诉：
寒月深冬兮，四野飞霜，天高水涸兮，寒雁悲怆。
最苦戍边兮，日夜彷徨，披坚执锐兮，孤立山岗。
虽有田园兮，谁与之守？邻家酒热兮，谁与之尝？
白发倚门兮，望穿秋水，稚子忆念兮，泪断肝肠。
终生在外兮，何时反省？妻子何堪兮，独宿空房。
一旦交兵兮，蹈刃而死，骨肉为泥兮，衰草沓茫。
魂魄幽幽兮，不知所往，壮士寥寥兮，付之荒唐。
项羽听了，暗暗吃惊：莫非汉军已把楚地全占了吗？为什么汉军中有那么多楚人呢？楚军将士也被这歌声引动了思乡之情，无心再战，纷纷逃散，连跟随项羽多年征战的将军们，也暗地里不辞而别，项羽的叔父项伯也偷偷离去了。军心大乱，一夜之间，项羽身边只剩下了千余人。项羽愁眉不展，坐卧不安，连声叹息。次日凌晨，项羽别姬突围，几经转战，只身来到乌江边，见前有滔滔江水，后有汉将灌婴率兵紧追不舍，心灰意冷，无颜再见江东父老，便拔剑自刎了。一代悲剧英雄，就这样血洒乌江之滨，年仅31岁。
自此，历时四年的楚汉战争终于以刘邦的胜利而告终。
垓下之战，是楚汉相争中决定性的战役。它既是楚汉相争的终结点，又是汉王朝繁荣强盛的起点，更是中国历史上具有里程碑意义的转折点。它结束了秦末混战的局面，统一了中国，奠定了汉王朝四百年的基业。因规模空前，影响深远，被列为世界著名的古代七大战役之一。
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