汉军虽然在许多战场上取得了胜利，但在主战场上与楚军相比，仍居于劣势。当时，项羽正进攻齐国，听说汉军占领了彭城，立即回军向汉军进攻，大破汉军。刘邦仅与数十骑逃脱，退守荥阳。此后，刘邦与项羽展开了长时间的拉锯战。项羽两破荥阳，三占成皋；刘邦也两次收复荥阳，三次夺回成皋。其间，刘邦采用陈平的计谋，用反间计使项羽怀疑范增与汉私通，范增气死，致使项羽失去了一个高级谋臣。汉王五年十月，刘邦遣使通告韩信、彭越联合军力。
十二月，汉军三十万人在垓下团团围住楚军。项羽被围垓下，夜晚听到四面的汉军都唱起了楚歌。阵阵楚歌委婉凄凉，楚军士兵无不为之黯然神伤。项羽大惊，说：“汉军已经完全征服楚国了吗？要不然汉军中怎么会有这么多的楚人呢？”刘邦设计致使楚军军心涣散，最终大败于汉军。