第二年，也就是公元前205年，韩信将敌军引出函谷关，将兵锋逼至洛阳，韩王郑昌、殷王司马邛等项羽所属的封国，先后归降刘邦。然后，韩信率汉军与齐、赵联合，共谋入侵楚国，四月，联合大军就已进入到了楚国的首都彭城。攻势之凌厉，令人赞叹。

进入彭城后的刘邦，小混混的老毛病又犯了，他将防务丢在一边，派人去大肆收集美女和宝物给他，给了项羽一个还击的可乘之机。正在与齐军鏖战的项羽听说彭城失守，急率三万精骑星夜赶回，一战将刘邦击败。韩信听到这个消息，马上赶来收集溃败的部队，和刘邦在洛阳地区会师，又成功地进行了阻击战，在京县、索亭之间把楚军打得大败，使项羽西进的兵锋受挫。战线最后在荥阳稳定了下来。

刘邦兵败彭城后出了一点小事故：齐国、赵国、魏国这几个国家，看到刘邦不务正业的态度，颇感失望，又将革命的旗帜倒向了楚国。形势的严峻不容许刘邦再有丝毫的犹豫，八月，刘邦封韩信为左丞相，领兵攻打魏国。魏王豹陈重兵于黄河东岸的蒲坂，韩信针对魏军部署，将大量船只集中在蒲坂对面的临晋，佯作正面渡河之势，暗中却用木框架绑扎瓦罐做成临时渡河器材，从上游夏阳渡河奇袭安邑，突然出现在魏军背后，大破魏军，俘获魏王豹。

韩信攻占齐地后，项羽惊恐万分，连忙派人去游说韩信，以三分天下为条件，希望韩信反汉联楚。韩信义正词严地拒绝了。这时候，韩信身边的谋士也都纷纷劝他答应项羽的条件，毕竟，不管老板给你多高的职务，多高的薪水，名正言顺地做老板总是比给别人打工好。况且现在韩信战功赫赫，有“功高盖主”的危险，很难说刘邦不会借机除掉他。韩信听了连连摆手道：“请不要再说了。”可是齐地初定，需立王掌政以安民心。所以，韩信已遣使修书请求刘邦立他为假齐王（代理齐王）。当时，刘邦正被项羽困在荥阳，自顾不暇，看罢来书后勃然大怒，本不想应允。后来，听取了张良和陈平的意见后，刘邦又说：“大丈夫平定了诸侯就是真王，当假王干什么？”于是，就真的立韩信为齐王。韩信又一次因祸得福，封了王。

公元前202年十二月，楚、汉两军在垓下展开决战，这就是著名的“垓下之战”。刘邦以韩信为主将，统一指挥各路大军。项羽指挥十万楚军，从正面向汉军阵地猛攻。韩信采用典型的侧翼攻击战法，令汉军中军稍稍后退，避开楚军锐气，而将两翼展开，实行侧击，然后再令中军推进，一下子完成了合围。入夜，韩信令汉军四面唱起楚歌，终使楚军丧失斗志，被汉军一举聚歼于垓下。项羽眼见大势已去，慷慨自刎于乌江边。历时五年的楚汉战争，以汉王刘邦夺得天下而告终。