韩信平定齐国，不仅解决了齐地的大隐患，而且消灭了项羽的精锐部队二十万，大大削弱了楚军的力量。项羽顿时感觉不妙，派盱眙人武涉前来齐国游说韩信。武涉对韩信说：“您为何不在此时叛汉，与楚国联合起来？项王与您曾经有交情，汉王此人不可轻信。汉王多次被项王围困，又侥幸逃脱，每次逃脱后都会违背约定，回过头来再进攻项王，这样反复无信的小人怎能信任和依靠？您自以为与汉王有金石般的交情，替他卖命，最终还是会死在他手里。您之所以还能在今天得意，是因为有项王在。当前楚汉争霸，谁胜谁败，关键在您。您投靠西边，就是汉王胜，投靠东边，就是项王胜。你为什么不能与楚国联合，三分天下？这样，您就可以在齐国名正言顺地称王，如果您错过这个机会，一定要跟随汉王，总有一天你您会后悔的。”
韩信推辞说：“我曾侍奉过项王三年，项王给我的职务不过是郎中，职位就是执戟都尉。我为项王献上的计策，项王从未用过。谋划的方略，项王从未理会。所以，我才背楚归汉，汉王授予我大将军印信，交予我数万兵马，脱下自己的衣服给我穿，分出自己的饭食与我分享，言必听，计必用，我才有今天的成功。一个人那么信任你，你还要背叛他，这样做人，不祥。请为韩信谢谢项王的好意。”武涉悻悻而去。
蒯通在旁边看得很清楚，当今天下，韩信的力量可谓举足轻重，于是向韩信深入剖析三分天下的重要性，劝韩信鼎足而立，称王于天下。但韩信不愿意背叛刘邦，自以为功劳很大，刘邦不会剥夺自己的权利，终于没有听进蒯通的劝告。
公元前202年10月，刘邦率本部人马，追击向彭城撤退的项羽，追到阳夏，刘邦下令暂停追击，派出使者与韩信、彭越等人联络，许诺日后与他们共分天下，并把临淄、大梁、淮南大片土地分给他们。果然，各路诸侯随即出兵，韩信担任主帅，率三十万兵马自齐南下，切断了项羽向彭城的退路；彭越率数万兵马到固陵与刘邦会师；刘贾与英布自寿春率兵北进，切断项羽南逃之路。项羽军不断收缩，退兵至垓下，中了韩信的十面埋伏，诸侯军队蜂拥而至，把项羽重重包围了起来。
汉军的“十面埋伏”形如天网，楚军固守垓下势如鸟雀。为了进一步动摇和瓦解楚军，一天夜里，韩信让士兵唱起楚歌。夜里，随着凄切的风声，四面传来隐约的楚歌声，如泣如诉。项羽以为楚地已被占领，惶惶然不能入睡。而楚军将士动了思乡之情，军心大乱，一夜之间，项羽身边只剩千余人。次日凌晨，项羽突围被追至乌江边，心灰意冷，无颜再见江东父老，一代悲剧英雄就这样血洒乌江之滨！至此，历时四年的楚汉战争，终于以刘邦的胜利告终。韩信以楚歌迷惑项羽，也使项羽的八千子弟兵离肠寸断，战斗力荡然无存，这是韩信采用的心理战术的成功案例。
战后，刘邦赶往韩信的大营，夺去的韩信的军权，改封韩信为楚王，在下邳设都。