公元前203年9月，项羽拔营东归，向彭城方向移动。这年10月，刘邦的军队会同韩信、英布、彭越等各路诸侯的军队共30万大军在固陵会师。韩信被刘邦任命为总统帅，负责全权指挥对于项羽的合围战略。这一年的12月，汉军终于将项羽和他的10万大军围困于垓下。
一开始，项羽还想凭借10万之众作拼死一搏。但是，韩信可不是项羽的老对手刘邦，韩信用兵谋略远在刘邦之上。韩信把30万人马分成10队，布置了十面埋伏阵，把项羽团团围住。项羽凭借血气之勇，多次冲击韩信的正面阵地，但韩信每次都将中军稍稍后退，避开楚军锐气，而将两翼展开，实行侧面攻击。项羽的多次突围，每次都迅疾如电，势不可挡，但每次在韩信的周密部署下无不功败垂成，最后不得不退入大营，坚壁自守。到了夜晚，韩信令汉军四面唱起楚歌，项羽听了，暗暗吃惊：“难道汉军已经全部占领了楚国，为什么汉军里有那么多楚人呢?”楚军将士也被这歌声勾起了思乡之情，无心再战，纷纷逃散，一夜之间，项羽身边只剩下千余人。
英雄末路的项羽再突围至长江西岸的乌江亭时，前有江水，后有追兵，感到无颜再见江东父老，于是在心灰意冷之下拔剑自刎。楚汉相争最终以刘邦的胜利而宣告结束，刘邦如愿以偿地做了汉朝的开国皇帝。项羽既死，韩信的悲剧也就开始了。对于刘邦来说，最重要的是要剥夺韩信的军权，这是一刻也不能停留的大事。所以，项羽一死，刘邦就带上夏侯婴等亲信，向他索还兵权。
刘邦开门见山地对韩信说：“将军的功劳很大，我的确忘不了你。但是，如今天下已经太平，如果军队还由你来统帅，对你没有什么好处，别人还可能会因此发生误会和嫉妒。如果有什么误会，叫我怎么对得起你呢?”韩信听刘邦这么说，也感到无可奈何。韩信手下的步兵主要由曹参指挥，骑兵主要有灌婴指挥，主要将领傅宽、靳歙等也是刘邦的亲信。所以，刘邦没有怎么费力就夺回了兵权。
因为韩信在齐时间比较长，也有一定的威信，刘邦的第二个动作是迫使韩信离开齐地，免得日后韩信根基深厚了难以对付。刘邦听取了张良的意见，改封韩信为楚王，而把齐地封给儿子刘肥，让曹参做齐相。刘邦出手之快，令韩信根本无从防备，但军权已经失去，也不敢违抗刘邦的命令。况且韩信是个政治上短视的人，他觉得自己是楚人，楚国的封地范围也不小，在自己老家当王，衣锦还乡的感觉也不错。
所以对于刘邦的小动作，韩信虽然心里不是太舒服，但还是很坦然地配合。从此，韩信就离开了齐国，来到楚地担任楚王。韩信来到楚都下邳，找到从前给自己饭吃的老妇人，赠送给她一大笔钱。又找到自己年轻时蹭饭吃的亭长，说：“你真是个小人啊，做好事不能坚持到底。”随后，赏赐给他们一百个铜钱。亭长夫妇看着手中一百个铜钱，真是后悔莫及。
后来，韩信把当初强迫他钻裤裆的屠户也找来。那家伙被带来王府时吓得要命，两眼不敢正视韩信，以为韩信要杀他。韩信笑着说：“我干吗要杀你呢?我要杀你当初就杀了，任意杀人是有罪的，我只不过是留下自己这条命做点大事罢了。”这个屠户没有被杀，反而被韩信任命为捕盗的小官。