项羽东归后，刘邦也欲西归。张良、陈平则说：“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也，不如因其机而遂取之。今释弗击，此所谓‘养虎自遗患’也。”刘邦接受二人的建议，乘势尾追。
公元前202年，刘邦乘项羽无备，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(今河南东北部)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(今河南商丘)以北至谷城(今山东东阿南)。为其封地。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(今安徽亳县城父集)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。
五年年末，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计40万人与10万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：“人心都向楚，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。项羽闻四面皆楚歌，大惊道：“难道汉军已经都得到楚国的土地了吗？为什么楚人这么多呢？”。他越想越焦急，心绪烦乱，久久无法入睡，便披衣起身，和美人虞姬在帐中饮酒解闷。他一会儿望着跟他形影不离的心爱的虞姬，一会儿抚摸着跟他南征北战的千里乌雅马，内心激动不已，心境更加悲惊，于是，情不自禁地慷慨悲歌道：
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！
项羽一遍又一遍地唱着，禁不住落下泪来。左右的人也都低声哭泣，楚军大营被悲伤的气氛所笼罩。
夜深了，项羽决定乘夜突围。他跨上乌骓马，只率领800多名精壮骑兵向南驰去。次日清晨，汉军发现项羽已经突围，刘邦立即命令灌婴率领5000骑兵追击项羽。项羽渡过淮河以后，他的随骑只有100多人了。走到阴陵时，项羽迷了路。他向一个农夫问路，农夫骗他说：“向左走。”项羽又一次受骗，向左没多远陷入一片沼泽之中，被汉军追上了。项羽只好又领兵向东突围，来到了东城。这时，手下只剩下28个人了，而汉军的追兵却有几千人。项羽知道大势已去。估计自己末日将临，就对他的骑土们说：“我从起兵到现在已经8年了，身经大小70余战，所向无敌，无坚不摧，从未打过败仗，因而才能称霸天下。然而今天困在这里，无路可退，这是天要亡我，并不是我不会打仗。不信，我再打一场痛快战给你们看，我要斩将、夺旗，没有什么可以阻挡我，为你们解围，叫你们知道知道，这是天要亡我，并不是我的仗打得不好！”
说罢，他把28人分成四队，面向四方。这时，汉军把他们重重包围起来。项羽对他的骑士们说：“我为你们杀汉军一名将领！”于是，叫四队骑士向四方冲去，并约定在山的东面分别集合。一切安排就绪，项羽大喝一声，纵马冲向汉军，汉军纷纷溃散，四下逃命，项羽果然斩杀了一名汉将，这时汉将杨喜正在追逐项羽，项羽对着他瞪起眼睛，怒吼一声，吓得杨喜人马俱惊，后退了好几里。
项羽按事先约定跟他的部下在三处会合，汉兵不知项羽去向，也只好兵分三路，分别把楚军包围起来。项羽纵马冲杀，斩了汉军一名都尉和几十名士兵，再次聚集他的部下，只丧失了两人。于是项羽得意地对他们说：“我打仗的能力如何？”骑士们说：“正如大王所说的那样！”
此后，项羽来到乌江(今安徽和县东北40里的乌江浦)边，乌江亭长把船靠在岸边，请他上船，并对项羽说：“江东虽是弹丸之地，有方圆千里的土里，几十万民众，可以东山再起。希望大王赶快渡河，现在这里只有我的船，我们一走，汉军就没法过江了。”提起江东，项羽无限感慨，他笑着对亭长说：“天要亡我，我渡江也没有用呀？况且我项籍和江东子弟8000一起渡江西进，如今没有一个人生还，纵使江东父老怜爱我，尊我为王，现在我无颜再见到他们？”说罢，他拉着乌骓马，对乌江亭长说：“这匹马我已经骑了5年了，英勇无畏，曾经一天跑过1000里路，我不忍杀掉他。我知道你是个忠厚长者，就把它送给你吧。”然后，他让将士们下马步行，手持短兵器与汉军接战。在此期间，光项羽一人就杀死杀伤汉兵成百人，他自己也受伤十几处。项羽回身看见了汉将吕马童，便说：“你不是我的老朋友吗？”吕马童把项羽指给汉将王翳说：“这就是项王！”项羽说：“我听说谁要能得到我的头，汉王就赏千金、封万户侯，我就成全你吧！”说罢，拔剑自刎于江边。项羽就这样在乌江边结束了他悲壮的一生，当时年仅30岁。
宋代女诗人李清照曾经写道：
生当为人杰，死亦为鬼雄。
至今思项羽，不肯过江东。