公元前202年，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等五路大军于垓下即今安徽灵璧南，一说今河南淮阳之地，基本完成了对十万楚军的合围。
刘邦任命韩信为联军统帅，指挥大军作战。韩信命刘贾、英布军自南将楚军外围出路全部封闭，命彭越军自北封闭通路，韩信亲率自军主力三十万于刘邦本部军二十万合成一股，向困守垓下的十万楚军发起进攻，展开决战。
当时的情况是，楚军处于绝对劣势，西楚国位于长江以北的全部土地均已失陷，十万楚军成为绝对的孤军。楚军缺粮已经几个月，士兵饥饿，军队根本没有半点补给。
而且，项羽孤军十万，连续久战疲惫，决战之时已是农历十二月的大冬天，楚军刚从广武前线上撤下来，未经补给，多为穿着夏秋季的装备，寒冷饥饿，士气溃散。并且汉军分五路有秩序推进，先占楚土，再行合围，步步为营，包围圈完善，楚军难以发动突然性的反攻。就算突围出去，楚军离江东五郡距离遥远，很难在汉军的追击下及时回到己方领土。
就是在这些情况之下，韩信三十万主力于刘邦本部军合兵一股，向盘据于垓下困守的十万楚军发起了最后的进攻。
经过半日厮杀，项羽没能突破汉军阵线，韩信始终不断的向后退却，始终没有出现在项羽面前。而项羽过于猛烈的冲锋，却明显拉开了军队前后的距离。楚军队形越来越散，越拉越长，已经渐渐失去了紧密的队形和互相之间的配合。
战至下午，汉军中军一退再退，左右两军迂回急进，终于完成了前后夹击之势。汉军左右军随之投入了对楚军后方则翼的进攻，以紧密的阵形两面压来，迅速合围了落在后面的楚军步兵。楚军将士殊死抵抗，两军官兵绞斗在一起，立刻陷入交战状态，将楚军步兵、骑兵一分两半，楚军攻势随之被迁制。项羽不得已，只好率残存骑兵回师而去、救援步兵。
当得知左右军完成迂回并发动了对楚军后方步兵的进攻之时，韩信随即组织反击，并将刘邦主力以及所剩的全部中军投入反冲击。
汉军向项羽和楚军前锋骑兵反扑而来，数十万汉军向楚军发起了前后夹击。项羽见势不妙，立刻率全军向反方向突围，冲开汉左右军的包围，退回营中。
此战，楚军阵亡四万余，被俘两万，被打散两万，仅剩不到两万伤兵随项羽退回阵中。
随后，韩信率领全军收拢此前被楚军冲散的部队，全数压上，彻底包围了楚军大营。此间还歼灭了被打散的两万余楚军，没有给项王收拢散兵的机会。至此垓下决战到此结束。
垓下之战，汉军适时发起战略追击，积极调集援兵，多路围攻，以绝对优势兵力全歼楚军，创造了中国古代大规模追击战的成功战例。
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基业，因其规模空前，影响深远，被列为世界著名古代七大战役之一，有“东方的滑铁卢”之誉。
垓下遗址即古战场遗址，于1986年经安徽省人民政府批准为省级重点文物保护单位。