韓信平定齊國，不僅解決了齊地的大隱患，而且消滅了項羽的精銳部隊二十萬，大大削弱了楚軍的力量。項羽頓時感覺不妙，派盱眙人武涉前來齊國游說韓信。武涉對韓信說：“您為何不在此時叛漢，與楚國聯合起來？項王與您曾經有交情，漢王此人不可輕信。漢王多次被項王圍困，又僥幸逃脫，每次逃脫后都會違背約定，回過頭來再進攻項王，這樣反復無信的小人怎能信任和依靠？您自以為與漢王有金石般的交情，替他賣命，最終還是會死在他手里。您之所以還能在今天得意，是因為有項王在。當前楚漢爭霸，誰勝誰敗，關鍵在您。您投靠西邊，就是漢王勝，投靠東邊，就是項王勝。你為什么不能與楚國聯合，三分天下？這樣，您就可以在齊國名正言順地稱王，如果您錯過這個機會，一定要跟隨漢王，總有一天你您會后悔的。”

韓信推辭說：“我曾侍奉過項王三年，項王給我的職務不過是郎中，職位就是執戟都尉。我為項王獻上的計策，項王從未用過。謀劃的方略，項王從未理會。所以，我才背楚歸漢，漢王授予我大將軍印信，交予我數萬兵馬，脫下自己的衣服給我穿，分出自己的飯食與我分享，言必聽，計必用，我才有今天的成功。一個人那么信任你，你還要背叛他，這樣做人，不祥。請為韓信謝謝項王的好意。”武涉悻悻而去。

蒯通在旁邊看得很清楚，當今天下，韓信的力量可謂舉足輕重，于是向韓信深入剖析三分天下的重要性，勸韓信鼎足而立，稱王于天下。但韓信不愿意背叛劉邦，自以為功勞很大，劉邦不會剝奪自己的權利，終于沒有聽進蒯通的勸告。

公元前202年10月，劉邦率本部人馬，追擊向彭城撤退的項羽，追到陽夏，劉邦下令暫停追擊，派出使者與韓信、彭越等人聯絡，許諾日后與他們共分天下，并把臨淄、大梁、淮南大片土地分給他們。果然，各路諸侯隨即出兵，韓信擔任主帥，率三十萬兵馬自齊南下，切斷了項羽向彭城的退路；彭越率數萬兵馬到固陵與劉邦會師；劉賈與英布自壽春率兵北進，切斷項羽南逃之路。項羽軍不斷收縮，退兵至垓下，中了韓信的十面埋伏，諸侯軍隊蜂擁而至，把項羽重重包圍了起來。

漢軍的“十面埋伏”形如天網，楚軍固守垓下勢如鳥雀。為了進一步動搖和瓦解楚軍，一天夜里，韓信讓士兵唱起楚歌。夜里，隨著凄切的風聲，四面傳來隱約的楚歌聲，如泣如訴。項羽以為楚地已被占領，惶惶然不能入睡。而楚軍將士動了思鄉之情，軍心大亂，一夜之間，項羽身邊只剩千余人。次日凌晨，項羽突圍被追至烏江邊，心灰意冷，無顏再見江東父老，一代悲劇英雄就這樣血灑烏江之濱！至此，歷時四年的楚漢戰爭，終于以劉邦的勝利告終。韓信以楚歌迷惑項羽，也使項羽的八千子弟兵離腸寸斷，戰斗力蕩然無存，這是韓信采用的心理戰術的成功案例。

戰后，劉邦趕往韓信的大營，奪去的韓信的軍權，改封韓信為楚王，在下邳設都。