韓信和項羽的首次，也是最後一次的交手，就是在垓下之戰。這場戰役是漢軍對楚軍的圍殲戰，此戰之後，項羽烏江自刎，劉邦一統天下，稱帝建立西漢政權。劉邦的漢軍和項羽的楚軍，一直相持不下，最終雙方約定，以鴻溝爲界，鴻溝以西歸劉邦，鴻溝以東歸項羽。劉邦同意了項羽的停戰請求，項羽爲了表示停戰的誠意，放回了劉邦的家人劉太公和呂雉。
韓信將這三十萬大軍分成三部：一部親自率之，直接迎戰項羽;一部由大將孔熙率領，埋伏在左翼;一路由大將陳賀率領，埋伏在右翼。除去韓信三十萬，劉邦還自將十萬卒爲後軍，周勃與陳武兩支預備隊則安排在最後。最終，投入戰場的漢軍總計四十多萬，他們呈三層梯隊縱深部署，其中各自內部亦有多重梯隊，分工明確，最終，楚軍在三面夾擊中被擊敗，項羽被迫退回垓下城。
