为了让韩信、彭越尽快会师，刘邦采纳张良的计策，以睢阳以北至谷城之地划给彭越，封彭越为梁王；以陈县以东至海之地，封给齐王韩信。获封后二人果然立即前来会师。除此之外，刘邦为了争取南方的势力，又封英布为淮南王，英布又诱降了寿春守将周殷。至此，汉军从南北中三个方向对楚军完成了战略合围。
十月下旬，韩信留曹参守齐国，自己率军数万，以灌婴为先锋，向彭城进军。韩信以一部兵力将楚军诱出城，然后以伏兵将其牵制在城外，先锋灌婴则趁机突入彭城。在占据彭城之后，韩信又攻占了萧、挪、谯、苦等地，直接威胁到项羽后方。
在刘邦完成对项羽的包围之后，项羽就开始准备向彭城进军，但在撤军时彭城早已被韩信抢先一步占领，并且在韩信与刘邦前后夹击的情况下，项羽不敌，损失数万，只得向垓下撤军。
十一月，项羽率军撤退至垓下，并构筑营垒，整顿部队，准备与刘邦决战。十二月，汉军主力、韩信军、九江军、彭越军均抵达至垓下，四十万大军将垓下地区团团围住。项羽在垓下的部署是钟离昧守东、北两个方向，季布守西、南两个方向，项羽率主力部署四周以作支援。刘邦对垓下的合围部署是韩信在垓下东北、彭越在垓下西南、彭越在垓下北部地区。
汉军再对项羽合围成功后，便积极准备对项羽的进攻。韩信令孔熙为左翼，陈贺为右翼，自己为中军对项羽发起进攻。韩信率先对项羽发起进攻，但被项羽所击退，韩信撤军时，项羽领兵追击，被左翼的孔熙与右翼的陈贺所夹击，三面夹击之下，项羽大败，遂退回营垒坚守。
