两国协议以鸿沟为界，鸿沟以西为汉，以东为楚，互不侵犯。但是，当项羽遵守诺言退兵，并放回曾被扣为人质的刘邦的父亲刘太公、妻子吕雉之后，刘邦发动偷袭。项羽在阳夏之战一路败退，后在陈下之战刘邦跟项羽展开一次主力大战（陈下是今河南淮阳）项羽大败后逃到垓下，韩信、彭越、英布等加入汉军对项羽的包围网之后，参战兵力数倍于楚军。
垓下灭楚.前202年12月，楚军在垓下之战中被汉军打败，被围在垓下。刘邦用四面楚歌之计瓦解楚军军心，最后项羽走投无路，自觉无颜见江东父老，只好自刎于乌江边。这场历时近五年