汉五年（公元前202年），汉王追赶项王到阳夏南边，和淮阴侯韩信、建成侯彭越，以及刘贾、原楚国大司马周殷一起会师在垓下，包围了项王。

项王的部队在垓下修筑了营垒，汉军及诸侯兵团团包围了好几层。深夜，听到汉军在四面唱着楚地的歌，项王大为吃惊，说:“难道汉已经完全夺取了楚地么？为什么汉军中楚国人这么多呢？”项王夜不能寐，在帐中饮酒。他的宠妾虞姬，一直跟随在他身边服侍他，项王不禁慷慨悲歌，唱到：“力拔山兮气盖世，时不利兮骓不逝！骓不逝兮可奈何，虞兮虞兮奈若何！”项王唱了几遍，一边唱，虞姬一边应和。项王眼泪滚滚而下，左右侍者也都跟着落泪。虞姬凄然起舞，忍泪唱到：“汉兵已略地，四方楚歌声。大王意气尽，贱妾何聊生！”虞姬唱罢，拔剑自刎。

项王上马，部下将士八百多人骑马跟随，趁夜向南突破重围，飞驰而逃。天快亮的时候，汉军才发觉，命令骑将灌婴带领五千骑兵去追赶。项王渡过淮河，部下将士只剩下一百多人了。项王到达阴陵，迷了路，去问一个农夫，农夫骗他给他指了错路，使他们陷进了大沼泽地中。汉兵追上了他们。项王又向东，到达东城，这时就只剩下二十八人了。汉军骑兵追上来的有几千人。项王估计不能逃脱了，对他的骑兵说：“我带兵起义至今已经八年，历经七十多仗，我的敌人都被打垮，从来没有失败过，因而能够，据有天下。可是如今终于被困在这里，这是上天要灭亡我，而不是作战的过错。今天我愿意给诸位痛痛快快地打一仗，一定胜它三回，斩杀汉将，砍倒军旗，让诸位知道的确是上天要灭亡我。”于是把骑兵分成四队，分别朝向四个方向。项王说：“我来给你们拿下一员汉将！”命令骑兵四面驱马飞奔下去，约定冲到山的东边，分作三处集合。于是项王高声呼喊着冲了下去，汉军像草木随风倒伏一样溃退，项王杀掉了一名汉将。这时，赤泉侯杨喜为汉军骑将，在后面追赶项王，项王瞪大眼睛呵斥他，赤泉侯连人带马都吓坏了，倒退了很远。项王与他的骑兵会合。汉军把部队分为三路，再次包围上来。项王驱马冲了上去，又斩了一名汉军都尉，杀死有百八十人，而自己人仅仅损失了两个。

这时候，项王来到了乌江边上。乌江亭长正停船靠岸等在那里，对项王说：“江东虽小，但土地纵横有一千多里，民众有几十万，也足够称王了。希望大王快快渡江，现在只有我这儿有船，汉军到了，就没法渡过去了。”

项王笑了笑说：“上天要灭亡我，我还渡乌江干什么！再说我和江东子弟八千人渡江西征，如今没有一个人回来，纵使江东父老兄弟怜爱我让我做王，我又有什么脸面去见他们？纵使他们不说什么，我项羽难道心中没有愧疚吗？我知道您是位忠厚长者，我骑着这匹马征战了五年，所向无敌，曾经日行千里，我不忍心杀掉他就把他送给您吧。“

说完，命令骑兵都下马步行，手持短兵器与追兵交战。光项王一个人就杀掉汉军几百人。项王身上也有十几处负伤。项王看见汉军骑司马吕马童，说：“你不是我的老相识吗？我听说汉王用黄金千金、封邑万户悬赏我的脑袋，我就把这份好处送你吧！”说完，自刎而死。王翳拿下项王的头，其他骑兵互相践踏争抢项王的躯体，由于相争而被杀死的有几十人。最后，郎中骑将杨喜，骑司马吕马童，郎中吕胜、杨武各争得一部分肢体。因此把项羽的土地分成五块，五人各得封侯。

项王已死，项氏宗族，汉王都不加杀戮，并封项伯为射阳侯。桃侯、平皋侯、玄武侯都属于项氏，汉王赐姓刘。