最终，楚军在三面夹击中被击败，项羽被迫退回垓下城。此时，楚军已损失八万，只留项羽与两万精锐楚军。
而汉军也为此损兵十多万，他们都是韩信从齐国带来的兵将，汉王的嫡系部队则毫发无损。
为了避免不必要的伤亡，韩信打算对项羽围而不攻，耗其士气，竭其粮草，让楚军不战而溃。最终，项羽兵少食尽，最后楚歌响起，楚卒思乡，大多散亡。项羽眼见大势已去，便乘夜率领八百精锐骑兵突围南逃。
天明以后，汉军得知项羽突围，派遣五千骑兵追击。项羽渡过淮水后，仅剩百余骑相随，行至阴陵因迷路耽搁了时间，被汉军追及，项羽突至东城，手下仅剩二十八骑。
在乌江决战中，项羽指挥这二十八骑，来回冲阵，向南疾走至乌江边。之后的结局众人皆知，项羽自觉无颜见江东父老，乃令从骑皆下马，以短兵器与汉兵搏杀，项羽一人杀汉军数百人，最后自刎而死。
项羽死后，除了项羽原封地的鲁人不肯投降外，其余楚地皆归汉所有，直至刘邦将项羽首级示鲁，鲁人才不得不降。
项王的部队驻守在垓下，兵少粮尽，汉军及诸侯的军队把他重重包围。深夜，听到汉军在四面唱着楚地的歌，项羽于是大为吃惊，说：
“难道汉军把楚人都征服了吗？他们那边楚人为什么这么多呀！”项王于是在夜里起来，在帐中饮酒。有美人名虞，一直受宠跟在项王身边；有骏马名骓一直骑着。
这时候，项羽不禁情绪激昂唱起悲歌，自己作诗道：“力量能拔山啊，英雄气概举世无双，时运不济时骓马不再奔跑！
骓马不奔跑可将怎么办，虞姬呀虞姬，将怎么安排你才妥善？”项王唱了连唱几遍，美人虞姬应和着一同唱歌。项王眼泪一道道流下来，左右侍者也都跟着落泪，没有一个人忍心抬起头来看他。
在这种情况下，项羽独自一人骑上马，部下壮士八百多人骑马跟在后面，当夜突破重围，向南冲出。天刚亮的时候，汉军才发觉，命令骑将灌婴带领五千骑兵去追赶。项王渡过淮河，部下壮士能跟上的只剩下一百多人了。
项王到达阴陵，迷了路，去问一个农夫，农夫骗他说：“向左边走。”项王带人向左，陷进了大沼泽地中。因此，汉兵追上了他们。项王于是带领着骑兵向东跑，到达东城，这时就只剩下二十八人。汉军骑兵追赶上来的有几千人。
项王自己估计不能逃脱了，对他的骑兵说：“我带兵起义至今已经八年，亲自打了七十多仗，抵挡我的敌人都被打垮，我攻击的敌人无不降服，从来没有战败，因而能够称霸，据有天下。可是如今最终被困在这里，这是上天要灭亡我，决不是作战的过错。
今天必死无疑，我愿意给诸位打个痛痛快快的仗，一定胜它三回，给诸位冲破重围，斩杀汉将，砍倒军旗，让诸位知道的确是上天要灭亡我，决不是作战的过错。”
于是把骑兵分成四队，面朝四个方向。
汉军把他们包围起几层。项王对骑兵们说：“我来给你们拿下一员汉将！”项王命令四面骑士驱马飞奔而下，约定冲到山的东边，分作三处集合。
于是项王高声呼喊着冲了下去，汉军像草木随风倒伏一样溃败了，项王杀掉了一名汉将。这时，赤泉侯杨喜为汉军骑将，在后面追赶项王，项王瞪大眼睛呵叱他，赤泉侯连人带马都吓坏了，退避了好几里。
项王与他的骑兵在三处会合了。汉军不知项王的去向，就把部队分为三路，再次包围上来。项王驱马冲了上去，又斩了一名汉军都尉，杀死有百八十人，聚拢骑兵，仅仅损失了两个人。