当时，项羽正把刘邦紧紧围困在荥阳，情势危急，看了韩信上书内容，刘邦十分恼怒，大骂韩信不救荥阳之急竟想自立为王。
张良、陈平暗中踩刘邦的脚，凑近他的耳朵说：“汉军处境不利，怎么能禁止韩信称王呢?不如就此机会立他为王，好好善待他，使他自守一方，否则可能发生变乱。”
刘邦经提醒也明白过来，改口骂道：“大丈夫平定了诸侯，就做真王罢了，何必做个暂时代理的王呢？”于是派张良前去立韩信为齐王，征调他的部队攻打楚军。
齐国失利，龙且战死，使项羽非常恐慌。派盱台人武涉前去游说韩信反汉与楚联合，三分天下称王齐地。
韩信谢绝说：“我奉事项王多年，官不过是个郎中，位不过执戟之士。我的话没人听，我的计谋没人用，所以才离楚归汉。汉王刘邦授我上将军印，让我率数万之众，脱衣给我穿，分饮食给我吃，而且对我言听计从，所以我才有今天的成就。汉王如此亲近、信任我，我背叛他不会有好结果的。我至死不叛汉，请替我辞谢项王的美意。”
武涉游说失败后，齐人蒯通知道天下大局举足轻重的关键在韩信手中，于是用相人术劝说韩信，认为他虽居臣子之位，却有震主之功，名高天下，所以很危险。终于说动韩信，但韩信犹豫而不忍背叛刘邦，又自以为功劳大，刘邦不会来夺取自己的齐国，于是没有听从蒯通的计谋。
刘邦趁项羽无备，楚军饥疲，突然对楚军发动战略追击。约韩信从齐地，彭越从梁地南下合围楚军。韩信、彭越未能如期南下。刘邦追击楚军至固陵，楚军反击，刘邦大败而归。
为调动韩信、彭越，刘邦听从张良之谋，划陈以东至海广大地区为齐王韩信封地；封彭越为梁王，划睢阳以北至谷城，为其封地。
由韩信指挥此战。韩、彭遂率兵攻楚；韩信从齐地南下，占领楚都彭城和今苏北、皖北、豫东等广大地区，兵锋直指楚军侧背，彭越亦从梁地西进。
汉将刘贾会同九江王英布自下城父北上；刘邦则率部出固陵东进、汉军形成从南、北、西三面合围楚军之势，项羽被迫向垓下退兵。
刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计四十万人与十万楚军于垓下展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。
韩信挥军进攻失利，引兵后退，命左、右翼军继续攻击。楚军迎战不利，韩信再挥军反击。楚军大败，退入壁垒坚守，被汉军重重包围。楚军屡战不胜，兵疲食尽。
韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云：“人心都背楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头”致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，韩信乘势进攻，楚军大败，十万军队被全歼，项羽逃至东城自刎而死。
刘邦于是还至定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳。
韩信到楚国后，召见当年给他饭吃的漂母，赏赐她千金。轮到下乡南昌亭长时，只赏他一百钱，并说：“你是个小人，做好事有始无终。”
又召见曾经侮辱自己，让他从胯裆下爬过去的少年，封他为中尉，并且告诉诸将说：“这是位壮士，当他侮辱我时，我难道不能杀了他吗?杀了他也不会扬名，所以就忍了下来，这才有了今天的成就。”
项羽兵败后，他的逃亡将领钟离眛因素来与韩信关系很好，就投奔了韩信。
刘邦记恨钟离眛，听说他在楚国，就下令楚王逮捕他。那时韩信初到楚国，到各县乡邑巡察进出都派军队戒严。有人告韩信谋反。刘邦用陈平的计策，说天子要出外巡视会见诸侯，通知诸侯到陈地相会，说：“我要游览云梦泽。”