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，韩信军三十万与刘邦本部军主力则合成一股，向困守垓下的十万楚军发起进攻，秦汉战争史上最耀眼的两颗巨星的巅峰对决，终于展开！
韩信亲率三十万大军居中，为前锋主力;将军孔熙率军数万为左翼;陈贺率军数万为右翼;刘邦率本部主力尾随韩信军跟进，将军周勃率军断后。
而项羽方面，对于楚军而言，如今的情况即不能守、也不能退。后勤断绝、无粮而守，无异于坐以待毙，等死！
就这样，战斗打响了。整场垓下之战非常有层次，项羽一步步踏入韩信设定的陷阱中：
1、正面示弱。
韩信率五阵大军先行向楚军发动挑衅性进攻。项羽立刻率十万楚军发动中央突破作战，矛头直指韩信本部。项羽亲自率军出击，冲锋在前，楚军以骑兵在前、步兵在后随其冲锋。汉军接战，汉军出于下风。韩信立刻命令大军后撤，以三十万大军为屏障掩护指挥部和刘邦的十万人马向后退去。汉军且战且退，楚军则是继续孤注一掷的疯狂突击，项羽本人更加是一马当先，冲锋速度之快甚至将十万楚军将士统统甩在了后面，连楚军骑兵都没有一人能赶上。
一路上，汉军如乌云一般层层叠叠，一眼望去，满山遍野。项羽率十万将士猛打猛攻，连破汉军数道防线，直杀向韩信本人。
2、后路包抄。
另一方面，当韩信以前阵为屏障掩护刘邦军回撤退避的同时，孔熙、陈贺所率的左右两军也自楚军左右两侧进行着夹击，其意图便是为了节制楚军进攻侧翼、分离楚军骑兵步兵之间的配合、迁制楚军进攻。
经过半日厮杀，项羽依然没能突入汉军指挥部，韩信始终不断的向后退却，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。当时的楚军，项羽本人脱离全军冲锋在前、冲开敌军一道道兵列线;后面是速度较快的主力骑兵急赶项羽、并将被项羽本人打开缺口的汉军散兵一一冲散踏过;而最后面的是速度最慢的步兵部队，他们与未被骑兵踩死的汉兵一边厮杀一边继续追赶骑兵。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。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，将楚军步兵、骑兵一分两半，楚军攻势随之被迁制。
3、三路合围
项羽不得已，只好率残存骑兵回师而去、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。数十万汉军向楚军发起了前后夹击。到了此时，韩信中央后退，两翼包抄的战术已经成功，项羽知道无力回天，立刻率全军向反方向突围，冲开汉左右军的包围，退回营中。此战，楚军伤亡4万余。
汉军虽然伤亡更大，但是战术上完美的正面拖住了楚军最凶狠的冲锋，两翼包抄消耗了楚军的有生力量。随后，韩信率领全军收拢此前被楚军冲散的残军全数压上，彻底包围了楚军大营，楚军完全失去了反败为胜的机会。
至此垓下决战以汉军战略性的胜利而告终。
