1、劉邦任命韓信爲聯軍統帥，指揮大軍作戰。韓信命劉賈、英布軍自南將楚軍外圍出路全部封閉，命彭越軍自北封閉通路，韓信親率自軍主力30萬於劉邦本部軍20萬合成一股，向困守垓下的10萬楚軍發起進攻，展開決戰。
2、當時的情況是，楚軍處於絕對劣勢，西楚國位於長江以北的全部土地均已失陷，10萬楚軍成爲絕對的孤軍。楚軍缺糧已經幾個月，士兵飢餓，軍隊根本沒有半點補給。而且，項羽孤軍10萬，連續久戰疲憊，決戰之時已是農曆十二月的大冬天，楚軍剛從廣武前線上撤下來，未經補給，多着夏秋裝，寒冷飢餓，士氣潰散。並且漢軍分五路有秩序推進，先佔楚地，再行合圍，步步爲營，包圍圈完善，楚軍難以發動突然性的反攻。就算突圍出去，楚軍離江東家鄉距離遙遠，很難在漢軍的追擊下及時回到己方領土。
3、就是在這種情況之下，韓信30萬主力於劉邦本部軍合兵一股，向盤踞於垓下困守的10萬楚軍發起了最後的進攻。經過半日廝殺，項羽沒能突破漢軍陣線，韓信始終不斷地向後退卻，始終沒有出現在項羽面前。而項羽過於猛烈的衝鋒，卻明顯拉開了軍隊前後的距離。楚軍隊形越來越散，越拉越長，已經漸漸失去了緊密的隊形和互相之間的配合。戰至下午，漢軍中軍一退再退，左右兩軍迂迴急進，終於完成了前後夾擊之勢。漢軍左右軍隨之投入了對楚軍後方側翼的進攻，以緊密的陣形兩面壓來，迅速合圍了落在後面的楚軍步兵。
4、楚軍將士殊死抵抗，兩軍官兵絞鬥在一起，立刻陷入交戰狀態，楚軍步兵、騎兵被一分兩半，攻勢隨之被牽制。項羽不得已，只好率殘存騎兵回師救援步兵。當得知左右軍完成迂迴並發動了對楚軍後方步兵的進攻之時，韓信隨即組織反擊，並將劉邦主力以及所剩的全部中軍投入反衝擊。漢軍向項羽和楚軍前鋒騎兵反撲而來，數十萬漢軍將楚軍前後夾擊。項羽見勢不妙，立刻率全軍向反方向突圍，衝開漢左右軍的包圍，退回營中。
5、此戰，楚軍陣亡40000餘人，被俘20000多人，被打散的20000多人，僅剩不到20000傷兵，隨項羽退回陣中。隨後，韓信率領全軍收攏此前被楚軍衝散的部隊，全數壓上，徹底包圍了楚軍大營。
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