为韩信怯弱，率军渡江进击。这时韩信命人决开壅塞潍河的沙囊，河水奔流而至，龙且的军队大半没有渡过去。韩信挥军猛烈截杀，杀死龙且。东岸齐、楚联军见西岸军被歼，四处逃散。韩信率军急渡水追击至城阳，楚兵皆被俘虏。齐王田广逃走不久被杀。汉四年（前203年）齐地全部平定。
誓不叛汉
韩信一连灭魏、徇赵、胁燕、定齐，齐国平定之后，他派人向刘邦上书说“齐国狡诈多变，是个反复无常的国家，南边又与楚国相邻，如不设立一个代理王来统治，局势将不会安定。我希望做代理齐王，这样对形势有利。”当时，项羽正把刘邦紧紧围困在荥阳，情势危急，看了韩信上书内容，刘邦十分恼怒，大骂韩信不救荥阳之急竟想自立为王。张良、陈平暗中踩刘邦的脚，凑近他的耳朵说“汉军处境不利，怎么能禁止韩信称王呢?不如就此机会立他为王，好好善待他，使他自守一方，否则可能发生变乱。”刘邦经提醒也明白过来，改口骂道“大丈夫平定了诸侯，就做真王罢了，何必做个暂时代理的王呢？”于是派张良前去立韩信为齐王，征调他的部队攻打楚军。
齐国失利，龙且战死，使项羽非常恐慌。派盱台人武涉前去游说韩信反汉与楚联合，三分天下称王齐地。韩信谢绝说“我奉事项王多年，官不过是个郎中，位不过执戟之士。我的话没人听，我的计谋没人用，所以才离楚归汉。汉王刘邦授我上将军印，让我率数万之众，脱衣给我穿，分饮食给我吃，而且对我言听计从，所以我才有今天的成就。汉王如此亲近、信任我，我背叛他不会有好结果的。我至死不叛汉，请替我辞谢项王的美意。”
武涉游说失败后，齐人蒯通知道天下大局举足轻重的关键在韩信手中，于是用相人术劝说韩信，认为他虽居臣子之位，却有震主之功，名高天下，所以很危险。终于说动韩信，但韩信犹豫而不忍背叛刘邦，又自以为功劳大，刘邦不会来夺取自己的齐国，于是没有听从蒯通的计谋。
垓下决战
汉五年（前202年），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（山东），彭越从梁地（河南东北部）南下合围楚军。五年十月（汉初承秦制，十月为岁首），韩信、彭越未能如期南下。刘邦追击楚军至固陵（淮阳西北），楚军反击，刘邦大败而归。
为调动韩信、彭越，刘邦听从张良之谋，划陈（淮阳）以东至海广大地区为齐王韩信封地；封彭越为梁王，划睢阳以北至谷城（山东东阿南），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（江苏徐州市）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。汉将刘贾会同九江王英布自下城父（今安徽亳州城父镇）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（安徽灵璧南）退兵。
十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军总数30万人与10万楚军于垓下展开决战。汉军由淮阴侯韩信统领，共计三十万，分为六个部分，孔将军为左翼，费将军为右翼，刘邦在其后，周勃、柴将军在刘邦后。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。孔将军、费将军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。韩信命汉军士卒夜唱楚歌，歌云“人心都背楚，天下已属刘；韩信屯垓下，要斩霸王头”致使楚军士卒思乡厌战，军心瓦解，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。]刘邦于是还至定陶，驰入韩信军中，收夺了他的兵权，后改封韩信为楚王，都下邳（江苏邳县东）
功高被擒