1、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30万于刘邦本部军20万合成一股，向困守垓下的10万楚军发起进攻，展开决战。
2、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，10万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10万，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，多着夏秋装，寒冷饥饿，士气溃散。并且汉军分五路有秩序推进，先占楚地，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，楚军离江东家乡距离遥远，很难在汉军的追击下及时回到己方领土。
3、就是在这种情况之下，韩信30万主力于刘邦本部军合兵一股，向盘踞于垓下困守的10万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，韩信始终不断地向后退却，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侧翼的进攻，以紧密的阵形两面压来，迅速合围了落在后面的楚军步兵。
4、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，楚军步兵、骑兵被一分两半，攻势随之被牵制。项羽不得已，只好率残存骑兵回师救援步兵。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，数十万汉军将楚军前后夹击。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。
5、此战，楚军阵亡40000余人，被俘20000多人，被打散的20000多人，仅剩不到20000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。
