没办法，现在轮到项羽主动求和了。他约刘邦到阵前见面。于是有了著名的广武会面。汉军在荥阳东部的广武山上建有军营，与东边项羽的军营对峙。刘邦来到军前，看到对面的楚军搭建了一个高台，台上竖着一块案板，板上绑着一个赤裸裸的老头。刘邦定睛一看，那不是自己的老父亲刘太公吗？再一看，台上还跪着自己的母亲、妻子吕氏和庶长子刘肥（日后的齐悼惠王）。当年刘邦从彭城大败而逃的时候，父母妻子都丢下不管，这些人都做了项羽的俘虏，如今被项羽拿出来要挟刘邦。
项羽在案板旁架起一个大鼎，燃烧起熊熊火焰。案板上的刘太公早已面无人色；老母亲见状昏死过去，不省人事。吕氏和刘肥则吓得没有了丝毫血色。项羽冲着刘邦喊：“刘邦赶紧投降，不然我把你父亲煮了！”刘邦答道：“我和项羽当年都受命于楚怀王，约为兄弟。我父亲就是你父亲。如果你一定要烹了你父亲，就请分我一杯羹吧。”
项羽大怒，真的就要杀死刘太公。早在多年前的鸿门宴就被刘邦反正、做了汉军卧底的项伯赶紧拉住项羽，说：“天下事未可知，且为天下者不顾家。现在杀刘老头于事无补，恐怕只会增加祸害。”项羽只好作罢。
清代洪亮吉评述这段著名史实说：“烹则烹矣，必高其俎而置之，无非欲愚弄汉王，冀得讲解耳。汉王深悉其计，矫情漫语，分羹一言，虽因料敌太清，然逞才太过，未免贻口实于来世。”可见项羽处于窘境，黔驴技穷，除了用老人家要挟对手外想不出其他更好的办法了。可刘邦见过的场面多了，这样的小问题是难不倒他的。
项羽又冲着刘邦喊：“天下混乱多年，都是我们两个人造成的。我愿与汉王决斗，一决雌雄，不再劳苦天下百姓了。”刘邦心中讥笑项羽头脑简单，回了句：“吾宁斗智，不能斗力。”的确，政治场上只有匹夫才赤膊上阵呢。接着，刘邦当众列绝了项羽的十条大罪：违背当年楚怀王先入关中者为王的誓约，把先入关的刘邦封到汉中；滥杀大将宋义，非法夺取兵权；在关中烧宫室掘皇陵，劫掠财宝；杀戮已经投降的秦王子婴；活埋了秦兵20万；杀戮楚怀王，等等。最后，刘邦义正词严地说：“现在，我和诸侯们率仁义之师讨伐你这个残暴歹徒，你有什么资格向我挑战？”刘邦所列举的这些，都是项羽实打实的罪状，没有虚构夸张，项羽哑口无言。由此可见项羽政策失误之多、头脑之简单。
刘邦正骂得痛快淋漓，冷不防楚军中的弓弩手发来一支暗箭，正射刘邦的胸膛。刘邦踉跄退后，忍住疼痛，又猛地回到阵前，假装弯腰抚摸脚说：“被暗箭射中了脚，还真疼啊！”
项羽倡议的阵前会面，就此不欢而散。
刘邦回营后，躺在床上养伤。张良劝刘邦出去劳军，证明自己无事，安定军心，同时也做给楚军看。刘邦强咬牙，在汉军营帐中巡视了一趟。对面的项羽忍受不了了。楚汉两军长期对峙，刘邦没有后顾之忧，项羽却腹背受敌，加上楚国军粮将尽，难以支撑战争。一年前是刘邦主动求和，项羽断然拒绝；现在是项羽主动向刘邦求和了。
公元前203年八月，项羽和刘邦订立和约，平分天下：以荥阳东的鸿沟为界，东归楚，西属汉。史称“鸿沟之盟”。
背盟者的胜利
鸿沟原名广武涧，是战国时期魏国开凿的水利工程，在河南中部沟通了黄河水系和淮河水系。鼎盛时期，鸿沟宽、深各达百米，沟内水流迅猛，很适合作为两军、两国的分界线。
鸿沟之盟定约后，项羽很快按约引军东归。他头脑简单的弱点再一次暴露了出来。一个盟约能否得到遵守，只有定约方自己心中明白。对于刘邦这样的对手，项羽理应多加防备。可他却放心地释放了刘邦的父母、妻子和儿子，在刘邦大军没有撤退的情况下主动率军撤出了阵地，踏上了回家之路。撤退路上，数十万的楚军连相互掩护都没有。
项羽为什么就这么相信刘邦呢？
定约的第二天，刘邦就采纳张良、陈平的建议，调集兵马准备追击项羽了。他太了解项羽简单的思维了，也深知一旦项羽整顿好内部，那就是放虎归山后患无穷了。所以，刘邦安排韩信、彭越的部队从北边，叛楚附汉的九江王英布的部队从南边，配合刘邦本部兵马从西边，三面合围项羽。
项羽猝不及防，被杀得大败，前无进路后有追兵，不得不向东南方向溃败。当年十二月，刘邦、韩信、彭越、英布等各路汉军约40万人与项羽的10万楚军在垓下（今安徽灵璧东南）展开了决定命运的大决战。韩信的一招“十面埋伏”赢得一仗后，刘邦阵营又连施计谋。一天深夜，汉军营中传来阵阵楚歌，楚军将士认为楚地都被汉军占领，军心涣散。许多人开小差当了逃兵或者投降汉军。眼看着众叛亲离、败局已定，项羽对比往日的辉煌和眼前的凄凉，慷慨悲歌：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”他最宠爱的虞姬为了不拖累项羽突围，自刎而死。当夜，项羽率800多骑兵趁夜色向南突围而出。5000汉军骑兵在后紧追不放。且战且逃，项羽渡过淮河，身边只剩百余人。途中，项羽等人不识路，向一个老农问路。老农认出了杀戮过重的项羽，故意把他们100多人骗入沼泽。项羽因此被汉军追上。在最后的肉搏战中，项羽身边从100多人减少为28人，又再减少为26人，最后在乌江（今安徽和县，一说安徽定远）全军覆没，只剩伤痕累累的自己。当时有一个亭长驾船来请项羽返回江东以图东山再起。项羽远眺江东，遥想当年自己叔侄俩率8000江东子弟起兵，如今全军覆没，感到无脸见江东父老，便在江边自刎而死。
著名词人李清照曾赞叹项羽的最后一幕：“生当作人杰，死亦为鬼雄。至今思项羽，不肯过江东。”后人对项羽为什么“不肯过江东”意见存在分歧。有人认为项羽是无脸面回去，有人是觉得项羽对前途已经失望了，也有人觉得那个亭长的邀请是讽刺嘲笑项羽。不管怎么说，只要项羽还是项羽，他就不会忍辱偷生，逃回江东。性格决定命运。
自刎前，项羽杀死数以十计的汉军追兵，血染战袍。汉军只敢远远包围他，不敢靠近。项羽看到了包围自己的汉军中有老朋友吕马童。他惨淡地对吕马童说：“听说刘邦用千两黄金、万户侯爵的奖赏来征求我的首级。我就做个人情给你吧。”项羽死后，尸体遭到哄抢。汉军将领为争夺尸骸互相残杀。后来，王翳砍下了项羽的首级，吕马童、杨喜、吕胜、杨武四人各得四肢。刘邦分封五人为侯。
关于这个砍下项羽一条手臂的吕马童，这里再多说几句。他是项羽的吴中同乡，原名吕伯子，出身卑微，但从小就梦想：“人生一世，不锦衣玉食，枉为人矣。”旁人都笑话他：“不意贫儿有此痴想。”项梁、项羽起兵的时候，吕伯子参军相从，曾经在一次战斗中斩首12级。项羽很欣赏他，让他做了自己的马童。所以吕伯子改名吕马童。吕马童开始很感激项羽的知遇之恩，曾对人说自己的一切都是项将军所赐，还像伺候母亲一样伺候项羽的坐骑。但吕马童参加起义是抱着很现实的功利思想来的。见项羽不断胜利，吕马童很高兴，认为自己加爵封侯很有希望。可秦亡后，项羽并没有给吕马童封侯（事实上，分封诸侯也轮不到一个马夫）。吕马童就此怏怏不乐，加上项羽受陈平离间诡计后楚军人人自危，吕马童干脆投奔刘邦，做了汉军郎中。西汉成立后，吕马童成为吴中侯，衣锦还乡，着实风光了一把。不想有一天，吕马童午睡中突然惊醒，大喊：“我有罪，背主忘恩，猪狗不如！”说完，吕马童气噎而亡，只有35岁。
项羽死后，西楚各地纷纷投降刘邦，只有鲁地迟迟不投降。项羽曾经被楚怀王封为鲁公，所以鲁地坚持服从项羽。后来汉军出示了项羽首级，鲁地才投降。楚汉战争以刘邦的胜利结束。
项羽自刎前曾感叹：“天亡我，非战之罪也！”被称为西楚霸王的项羽打起仗来，是一等一的好手。他的失败的确不是战争的失败，可也不是天命所为。项羽输在自己的头脑简单和缺乏领导素质上，输在机械地遵守鸿沟之盟上，更输在一个机警多变、务实耍赖的对手手上。