垓下遗址，在今安徽省宿州市代管县灵璧县城东南，韦集镇单圩老庄胡村附近。公元前202年，楚汉两军决战于此，刘邦大败项羽，迫使项羽演出“霸王别姬”和自刎乌江的历史悲剧。如今，这片土地已经很难找到当年战争的痕迹，不过依然留下了许多传说和纪念建筑。
公元前203年（高祖四年）八月，与汉军对陟于广武的楚军粮尽；而刘邦也没能调来韩信、彭越等人的军队，无法对楚军进行最后的合围。于是，双方进行了历史上著名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。九月，西楚霸王项羽率十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。刘邦也欲西返。
但是，正当刘邦打算率军西返之时，张良、陈平却建议撕毁鸿沟和议，趁楚军疲师东返之机自其背后发动偷袭。张、陈二人认为：“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之” 。
刘邦于是采纳二人建议，遂背约，向楚军突然发起战略追击作战。大军追至夏南时，刘邦约集韩信、彭越南下，共同合围楚军。由于韩信及彭越未如约出兵合击楚军，结果刘邦在固陵被项羽打败。刘邦慌忙率军退入陈下，并筑起堡垒坚守不出，而楚军又一次合围了刘邦。坚守壁垒的刘邦向张良询问：“诸侯不从约，为之奈何？”张良回答：“楚兵且破，信、越未有分地，其不至固宜。君王能与共天下，今可立致也。即不能，事未可知也。君王能自陈以东傅海，尽与韩信；睢阳以北至谷城，以与彭越：使各自为战，则楚易败也。”
刘邦采纳张良的意见，将陈以东直到大海的大片领土封给齐王韩信；睢阳以北至谷城封给彭越。就这样，刘邦以加封土地为报酬，终于搬动了韩、彭二人，使他们尽数挥军南下，同时命令刘贾率军联合英布自淮地北上，五路大军共同发动对项羽的最后合围。垓下之战随之开始。
公元前202年（高祖五年）十月下旬，灌婴引兵进占彭城，同时攻下楚地许多地区。被刘邦封为淮南王的英布也遣将进入九江地区，诱降了守将、楚大司马周殷，随后合军北上进攻城父（今安徽涡阳东）。刘邦也由固陵东进，形势对楚极为不利，项羽被迫向东南撤退。十一月，项羽退至垓下（今安徽灵壁东南），筑垒安营，整顿部队，恢复军力，此时楚军尚有约十万人。
韩信、彭越、英布等会合刘邦后，汉军参战兵力已超过60万人，十二月（前202年初，当时以十月为岁首）在垓下将向江南撤退的十万楚军层层包围。
汉军以韩信亲率三十万人为主力，孔将军为左翼，费将军为右翼，刘邦坐镇后方，周勃、柴武等预备军在刘邦军后待命。韩信亲率汉军发动攻势，初战进攻受挫后退，在楚军准备追击时汉军左右两翼迂回夹击楚军，两军短兵相接陷入胶着，这时韩信带领大军翻身再战，楚军在三面夹击中被击败。项羽被迫退回垓下城。[楚军虽败，但汉军亦伤亡惨重，僵持中，汉军夜间高唱楚歌。（传说中有称是张良用计，让汉军夜夜高唱楚歌以瓦解楚兵斗志，但《史记》中实际并无谁故意“用计”的记载，部分学者认为可能是同为楚人出身的刘邦部队看到数年征战，最后胜利在望，自发地唱起楚歌。）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。
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