汉军夜间高唱楚歌。楚军自项羽以下莫不以为汉已尽得楚地，乃士气崩溃。项羽眼见大势已去，便乘夜率领八百精锐骑兵突围南逃。天明以后，汉军得知项羽突围，于是派遣五千骑兵追击。项羽渡过淮水后，仅剩百余骑相随，行至阴陵(今安徽定远西北)因迷路耽搁了时间(《史记》中交代因田父欺骗)，被汉军追及，项羽突至东城(今安徽定远东南)，手下仅剩二十八骑。

项羽指挥这二十八骑，来回冲阵，再次杀开一条血路，向南疾走，垓下之战作战图至乌江(今安徽和县东北长江边的乌江浦)边，自觉无颜见江东父老，乃令从骑皆下马，以短兵器与汉兵搏杀，项羽一人 杀汉军数百人，自己身亦被十余创，最后自刎而死，年31岁。项羽死后，汉军全歼八万楚军，楚地皆降汉，独项羽原封地的鲁人不肯投降(楚怀王曾封项羽为鲁公)，后刘邦将项羽首级示鲁，鲁人乃降。至此，历时4年半之久的楚汉战争终以刘邦的胜利而告终。

公元前202年(汉高祖五年)二月甲午日，刘邦称帝于汜水北岸，建立西汉政权。