各路汉军从不同方向汇聚到垓下，形成了一张密不透风的巨网。韩信率军三十万从齐地南下，担任正面主攻。彭越率军数万从梁地西进，担任侧翼掩护。
英布率军从淮南北上，截断楚军向南的退路。刘季亲率本部人马从正面压上。四路大军合计超过六十万人马，将项羽的十万残兵团团围困在垓下。
垓下是一处地势低平的丘陵地带，无险可守，无路可逃。楚军被困在中央，如同一头被猎人们团团围住的猛虎，四野尽是密密麻麻的火把和迎风翻卷的旌旗。
韩信将汉军布置成一个巨大而精密的合围阵型。他将最精锐的三十万主力分为左中右三阵，自领中阵正面迎击项羽，左右两阵互为犄角，防止楚军从侧翼突围。
阵后布置了大量弓弩手和骑兵作为预备队。他将这个阵型反复推演了多次，确认没有任何漏洞之后才派人禀报刘季，请求发起总攻。刘季站在高处望了一眼楚军营中那面项字旗，沉默了片刻，然后批准了总攻的命令。
战斗从黄昏一直持续到深夜。项羽亲自披甲上阵，率领楚军精锐数次向汉军正面发起冲锋，试图撕开一个缺口突围出去。他骑着乌骓马冲锋在前，长戟所到之处汉军士卒纷纷倒地，无人能挡。韩信的士卒虽然人多势众，但面对项羽本人时依然心生畏惧。
韩信站在高处观战。看到项羽的冲势之后，他没有急于调兵封堵，只是冷静地挥动旗帜，让前方的士卒且战且退，将项羽一步步引入包围圈的纵深之处。等到项羽发现四周的汉军越杀越多时，他已经被引入了三面合围的腹地。他勒住马环顾四周，目光如炬。
旁边的亲兵浑身是血地冲到他面前喊道：“大王，四面八方全是汉军，咱们冲不出去了！”项羽没有回答他，只是握紧了手中的长戟，拨转马头，率军杀出一条血路退回营中。
入夜之后汉军停止了进攻，但合围的阵型并未松动。韩信下令在四面高唱楚歌，让那些会唱楚地歌谣的士卒们在阵前放声高唱。一个年轻的士卒在黑暗中对着楚营的方向唱了起来：“涉江采菱兮河水深，思我故乡兮伤我心。”周围的士卒跟着他一起唱。歌声在夜风中飘散开来，传入了楚军的营帐之中。
那些楚地出身的士卒们听到家乡的歌谣之后纷纷走出营帐，呆呆地望向歌声传来的方向。一个老兵站在营门口听了片刻，泪水无声地从他布满皱纹的脸上滑落下来。他身旁一个更年轻的士卒拽了拽他的衣袖，低声问道：“叔，咱们是不是回不去了？”老兵没有回答他，只是站在那里一动不动地望着歌声传来的方向。
项羽坐在帐中听着那些从四面八方传来的楚歌，沉默了很久。他端起面前的酒觞喝了一口，然后放下酒觞，缓缓开口唱了起来：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝。骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”他的声音粗犷而苍凉，在帐中回荡着。他唱完了一遍之后又唱了一遍。泪水从他的脸上滚落下来，滴在案面上洇开了一小片湿痕。
虞姬站了起来，流着泪和着他的调子唱了起来。她反复唱着那一句“虞兮虞兮奈若何”，声音在风中飘散着，如同一声声叹息。唱到最后，她的声音低了下去，帐中只剩下项羽一个人的调子。
那一夜之后，再没有人见过虞姬。她去了哪里、什么时候走的，帐中的人后来谁也没有说起。
项羽在帐中坐了很长时间。外面的楚歌还在断断续续地传来。他站起来走出帐外，召集了帐下仅剩的八百名精锐骑兵。他站在这些士卒面前，目光从每一个人脸上扫过。北风将他的发丝和衣袍吹得翻飞不止。“汉军以为围住了我，就可以在这里把我拖死。
”他的声音沙哑但很稳，“但我项羽要死，也要死在冲锋的路上，不是死在这座营帐里。”他将军队分成四路，向四个方向同时冲击，以此分散汉军的注意力。他自己带着一百多名亲兵向北突进。临行前他回头望了一眼那座营帐。帐中还亮着灯，他没有再进去。
他只看了那一眼，就转过头来，夹紧马腹冲入了夜色之中。
突围比预想中顺利。汉军没有料到项羽会在深夜发动如此猛烈的突围。四路楚军同时冲杀，造成了极大的混乱。项羽趁着这股混乱冲出了第一道包围圈。他带着残兵一路向北飞驰，身后追击的汉军骑兵紧追不舍。一个亲兵在马背上回头望了一眼，喊道：“大王，他们还在追，甩不掉！
”“那就让他们追。”项羽的声音被风声撕扯得断断续续，“到了江东，老子再回来收拾他们。”他率军渡过淮河时清点人数，只剩下不到一百人。到达阴陵时，他在一片荒野中看到一个农夫坐在田埂上歇息，便勒马上前问道：“老人家，往东边的路怎么走？
”那农夫抬头看了他一眼，认出他是项羽，伸手指向了左边的一条路。“多谢。”项羽拨马向左奔去。他跑了十多里路，却发现前方是一片沼泽地，泥泞深陷，马蹄根本无法通行。他勒住马，看着那片在月光下泛着灰色光泽的沼泽，沉默了片刻之后低声骂了一句。
他知道自己被那个农夫骗了，但此刻已经没有回头路可走。他率军折返，从沼泽旁边绕了过去。乌骓马在泥泞中奋力挣扎，驮着他脱身而出。跟随他的骑兵只剩下二十八骑了。
他带着这二十八骑退到了东城，被汉军数千追兵团团围住。一个骑兵脸色苍白，握缰的手在发抖，低声对他说：“大王，我们被围死了。”“怕什么？”项羽环顾了一圈四周密密麻麻的汉军阵列，目光中没有恐惧也没有绝望。他平静地对身边的二十八名骑兵说，“我从起兵到现在八年了，身经七十余战，从未败过。
今日被困在此地，不是我不能打，是天要亡我。”他说完之后大喊一声，率领这二十八骑冲入汉军阵中。他连斩数将，汉军的士卒被他这股气势震慑，纷纷后退。他带着这一小队人马一路冲杀，退到了乌江边上时，身边只剩下不到十个人了。
乌江亭长撑着一艘小船在岸边等着他。看到项羽浑身浴血地策马而来，那亭长急忙喊道：“项王，快上船！江东虽小，但也有数十万人口，足够您东山再起了。这里只有小人的船，汉军追过来也没有船过江！”项羽勒住马，望着那条小船和南岸的方向，沉默了很长时间没有动。
“我带着江东子弟八千人渡江西征，”他开口说，“如今没有一个人活着回去。我一个人回去，有什么面目见江东父老？”他将乌骓马牵到岸边，把缰绳递到亭长手中，“这匹马跟了我五年，所向无敌。我不忍心杀了它，送给你了。”然后他转身徒步冲入汉军阵中，斩杀数百人。
他身上多处受伤，力竭之后拄着剑半跪在地上。他看到汉军中一个熟悉的身影，吕马童。他认出了那是他曾经的旧部，便停下脚步，站直了身子，开口说：“我听说汉王悬赏千金要我的头。老朋友，我送你这份人情。”吕马童站在那里没有动，嘴唇哆嗦着，说不出话来。
项羽看了他最后一眼，拔出剑自刎而死，倒在了乌江岸边。这个从会稽起兵、横扫了大半个天下的霸王，年仅三十一岁。