数日后，蒯彻又说道：“听取别人的善意，就能预见事情发展，办事坚决是智者果断的表现，犹豫不决是办事情的祸害。”韩信还是不忍叛汉，自认功勋卓着，汉王不会夺去自己的齐国，便谢绝了蒯彻，蒯彻规劝没被采纳，就装疯做了巫师。最终，韩信没有反叛汉王刘邦，但却也没有按照约定去与刘邦会师。
刘邦趁项羽无备，楚军饥疲，突然对楚军发动战略追击，约韩信从齐地，建成侯彭越从梁地南下合围楚军。韩信与彭越没有前来会师，刘邦追击楚军至固陵，楚军反击，刘邦大败而归。
为了让韩信、彭越出战，刘邦听从张良之谋，划陈县以东至海边广大地区为韩信封地；封彭越为梁王，划睢阳县以北至谷城为其封地，由韩信指挥此战。韩、彭遂率兵攻楚；韩信从齐地南下，占领楚都彭城和今苏北、皖北、豫东等广大地区，兵锋直指楚军侧背，彭越亦从梁地西进。汉将刘贾会同英布自下城父北上；刘邦则率部出固陵东进、汉军形成从南、北、西三面合围楚军之势，项羽被迫向垓下退兵。
汉军与楚军决战于垓下，汉军由韩信统领，共计三十万，分为六个部分，孔将军孔藂为左翼，费将军陈贺为右翼，刘邦在其后，周勃、柴武在刘邦的部队之后。楚军由项羽统领，共计约有十万。韩信先率前锋与项羽交锋，不利，向后退却。孔藂、陈贺从左右两边纵兵攻上去，楚军不利，淮阴侯乘势再次攻上去，大败楚军于垓下。
楚军大败，退入壁垒坚守，被汉军重重包围，楚军屡战不胜，兵疲食尽。夜晚听到汉军从四面传来楚国歌声，项羽大感震惊，认为楚国已经被汉军全部占领。韩信乘势进攻，楚军大败，十万军队被全歼，项羽逃至东城自刎而死。项羽失败后，刘邦立刻回到定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，定都下邳。
韩信到楚国后，召见当年给他饭吃的漂母，赏赐她千金，轮到下乡南昌亭长时，赏赐给他一百钱，并说：“你，是个目光短浅的人，做好事有始无终。”又召见曾经侮辱自己，让他从胯裆下爬过去的少年，封他为中尉，并且告诉诸将说：“这是位壮士，当他侮辱我时，我难道不能杀了他吗？杀了他没有正当理由，所以就忍了下来，这才有了今天的成就。”
韩信向来与项羽旧将钟离眜交好，项羽兵败后，钟离眜去投奔韩信，刘邦记恨钟离眜，听说他在楚国，便下令楚国逮捕。当时，韩信刚到楚国，巡行县城乡邑，进进出出都带着军队。
有人上书控告韩信谋反，刘邦询问各位将领，将领们说：“赶紧发兵把这小子坑杀了吧！”刘邦沉默不语。刘邦去问陈平的意见，陈平谦让推辞了一番，问道：“诸位将领都说了些什么？”刘邦全部告诉了他，陈平问：“人上书告韩信谋反的事还有人知道吗？”刘邦说：“没有。”陈平问：“韩信知道吗？”刘邦说：“不知道。”陈平问：“陛下的兵跟楚国相比哪边更精锐？”刘邦说：“比不过楚国。”陈平问：“陛下的将领有用兵超过韩信的吗？”刘邦说：“没有。”陈平说：“兵没楚精，将没楚强，却要发兵攻打，这会促使他跟我们交战，我认为陛下这样很危险。”刘邦说：“那该怎么做？”陈平说：“陛下先假装巡游云梦泽，抵达楚国西部边界陈县时召集诸侯来会见，等韩信拜见时，便可趁机将他拿下。”
刘邦将到楚国时，韩信想发兵反叛，又自认为无罪过，想谒见，又怕被擒获。有人建议韩信说：“大王杀了钟离眜去朝见皇上，皇上一定高兴，就没有祸患了。”韩信找钟离眜商议，钟离眜说：“汉军之所以不来攻取楚国，是因为我在您这里；您想捕杀我去讨好皇帝，我今天死了，您也要跟着灭亡。”于是，大骂韩信说：“您不是一个有德行的长者！”最终自刎而死。
韩信带着钟离眜的首级去见刘邦，在刘邦还没抵达陈县时，韩信在郊外的道路上迎接他。刘邦预先安排了武士，见韩信来了，就让人逮捕韩信，把他安放在后车上，韩信大喊着说：“果然像人们说的那样，‘狡猾的兔子一旦死去，追捕的猎狗就该被烹煮；高飞的鸟儿一旦绝迹，优良的弓箭就该被敛藏；敌人的国家一旦破灭，谋划的臣子就该被消亡’，现在天下已经平定，我当然也就该被烹杀了！”“有人告你谋反啊。”刘邦回过头对韩信说：“你别说话！你谋反，姿态已经很明显了！”武士把韩信反绑，给韩信戴上械具，回到洛阳后，刘邦赦免了韩信的罪状，削去王位，将韩信改封为彻侯，号为淮阴侯，封地在韩信故乡淮阴县。
韩信被贬为淮阴侯之后，知道刘邦畏惧厌恶他的才能，所以常常装病不参加朝见或跟随出行。韩信由此日益怨恼忿恨，在家中闷闷不乐。对于和绛侯周勃、颍阴侯灌婴等人，处在同等列侯的地位而感到羞耻。一次，韩信去拜访樊哙，樊哙行跪拜礼恭迎恭送，自称臣下，并说：“大王竟然肯光临臣下的家门！”韩信出门后，自嘲道：“我居然活到了和樊哙这种人为伍的地步！”
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