当是时，为了防止楚军的困兽之斗，韩信将主力大军排成了一个非常厚实的“五军阵”，以抑制项羽标志性的冲锋，即韩信亲率三十万大军居中，为前锋主力；将军孔熙率军数万在韩信军左方；陈贺率军数万在韩信军右方；刘邦率本部主力尾随韩信军跟进；将军周勃率军断后。安排停当后，韩信率本部军先行向楚军发动挑衅性进攻，项羽立刻亲自率领十万楚军发动其标志性的中央突破作战，矛头直指韩信本部，试图通过凌厉的冲锋将韩信军击溃。然而，韩信只是与楚军稍作简单的接触，便立刻命令汉军后撤，避其锋芒。汉军一路依照计划、且战且退，而楚军则是继续孤注一掷的疯狂突击。由于汉军坚实的纵深和充分地准备，使得项羽的锋矢根本不能接触到韩信的指挥系统，无法像以往一样，击溃汉军，反而使得自身的阵型出现散乱，造成前后军间的脱节。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迂回机动，威胁楚军侧翼。韩信见时机成熟，率军发起反击，楚军大败，退入壁垒，为汉军所围。这就是著名的“十面埋伏”计，由韩信率领的先头阵势实际上是一个伪阵，用作牵制引诱敌军，目的是为了创造机会使两翼奇兵得以快速突破形成合围，可见，“五军阵”是一种以优势兵力对抗少数精锐之敌的阵法，意在合围全歼对手。
汉军成功围困项羽后，韩信接受张良的建议，命汉军士卒夜唱楚歌，积极展开心理攻势。项羽惊闻楚歌，以为楚地皆被汉军所夺；楚军士卒亦思乡厌战，军心瓦解。项羽只得率八百人突围，韩信遣骑将灌婴追之至东城，项羽见大势已去自刭而死。至此，以汉军的全胜为凶凶数岁的楚汉之争画上了句号。“垓下之战”是楚汉相争中决定性的战役和终结点，更是中国历史上具有重大意义的里程碑事件，其终结了秦末诸侯混战的局面，再次实现华夏的统一，为日后的两汉盛世奠定了基础，影响深远，名炳千秋。
是役中，汉军以“鸿沟之盟”作为缓兵之计，在时机成熟时，突然发起战略追击，积极调集援兵，多路围攻，在垓下以绝对优势兵力全歼楚军，创造了中国古代大规模追击战的成功战例。抛开人文和感情的因素不论，项羽的“垓下之败”却也是情理之中的。首先，项羽为人暴戾，在战争中制造了太多的屠城与杀降，征服一地、杀戮一方，残暴程度有过于秦庭，这也就激起了关中与山东民众的怨恨；对于自己的盟友，又凭借自身势力的强大，颐指气使，视诸侯如草芥，导致了诸侯们的阳奉阴违或公开反叛，当垓下之战时，项几乎与全天下为敌。其次，项羽自赏其能、发伐其功，事事总凭一己之力，不愿放手使用人才，自楚归汉的人才举不胜举，刘邦手下的人才除了萧何、曹参，大多来源于楚。想其在“东城快战”之时，还不忘表现自己，还在满足于下属最后的崇拜，这是多么可叹而又可悲的事情啊！其三，项羽战术超群，但缺乏战略眼光，指挥的只是一些孤立的战斗，缺乏对远景的规划和战略部署。反观刘邦集团，君主刘邦自身姿态很低，亲和民众而又善于使用人才。在政治上，其依靠萧何在关中建立了很好的政治体系，获得了基层民众的支持，多次募兵征粮，为汉军的外线作战提供了坚实的物质支持；外交上，任用陈平、郦食其，积极开展外交斡旋和谍战活动，分化项羽集团，将彭越、英布等人招致麾下，既削弱了楚国，又为自己平添了臂膀；军事上，依照“正面相持、后方袭扰、翼侧牵制、迂回发展，最终实现对楚合围”的战略设想，重用韩信、英布和彭越三人，利用英布和彭越独立统兵的能力或袭扰楚军后方，或南下楚境进行发展，大大地减轻了成皋正面战场上汉军的压力，同时令韩信北上开辟第二战场，最终形成了对楚的战略合围。期间，汉军指挥集团非常注意政治、军事、外交的联合使用，从而达到“正兵”与“奇兵”的密切配合，“主战场”与“次战场”的相互支撑，“前方”与“后方”的彼此协调，将“正面相持”、“后方袭扰”“翼侧牵制”和“迂回发展”有机地结合起来，不断调动削弱楚军，促使双方力量发生反转，最终导致了垓下之时汉军对楚军绝对优势的形成。总而言之，项羽缺乏政治头脑和用人的智慧与勇气，战场上又只是关注于局部的胜利，而忽视了其间有效的联系与布局，进行的只是一场场孤立地战斗；刘邦集团则是将军事战斗作为一种途径，以战略的高度综合政治、军事、外交等手段，与项羽进行的一次集团间的全方位竞争。军事斗争也只有到达了这个层次，才能够称作“战争”。
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