赵国的谋臣、广武君李左车认为，韩信、张耳乘胜来攻，锐不可当，但是井陉口道路难走，车不能并行，骑不能成列。韩信要通过这数百里狭窄山路，辎重必然远远落在后面。于是，他向陈余建议：“如给我三万精兵，从小道截断汉军给养，你则深沟高垒，不与汉军交战。这样汉军欲战不能，欲退无路，不出十日，汉军必败无疑。斩韩信、张耳头颅就在今日，失此良机，我们反为其败。”
陈余原是个书呆子，本不懂用兵之道，他对李左车的建议很不以为然，说：“我本仁义之师，不尚诈谋。韩信所部，号称数万，实则几千，而且远道至此，定很疲敝。这区区敌众，若不敢抵，诸侯一定笑我怯懦，随时会来攻我。”
早有探子报知韩信，他心下暗喜，便大胆在井陉口30里处扎营。时至夜半，韩信开始点兵，先精选轻骑二千人，各带汉军旗帜，抄小路进发，隐蔽在赵军营旁山上。韩信吩咐这些士兵说：“如果赵军见我军退却，必会倾巢而出，追杀我军。这时，你们立即冲进赵军营寨，拔掉赵军的旗帜，换上汉军的旗号。”然后命令副将给大家分发干粮，让他们先垫垫肚子，并很自信地说：“大破赵军之后，再请大家饱餐一顿。”众将将信将疑。韩信再派精兵一队作为前锋，出井陉口，背临绵曼水，面向赵军阵地，摆开了阵势。
赵军抢占井陉口有利地形，想与汉军主力决战；今见汉军背水为阵，陈余不由得哈哈大笑：“背水为阵，只可进，不可退，此乃兵家大忌。破汉李，斩韩信，就在今日！”传令三军做好攻击准备。
天刚蒙蒙亮，韩信亲率人马，高举大旗，擂起战鼓，杀出井陉口。陈余大开营门，挥兵出战。两下交锋，赵军仗着人多势众，一拥上前，来围韩信。韩信急命抛弃帅旗，扔掉战鼓，往回便退。陈余挥兵拼力追杀，就连据守大营的赵兵也想乘势邀功，竟把赵王歇也拥了出来，掠取汉军旗鼓，洋洋得意，哗声如雷。
韩信退至绵曼水边，传下命令“决一死战，后退立斩！”汉军将士见前有河水，后有追兵，已无路可退，便拼死求生，回头奋力苦战。两军从早晨直杀到中午，仍不分胜负。陈余恐部众饥饿，不能再战，便传令回营。不料到了半途，望见营中全是汉军旗号，他惊叫一声：“怎么大营被汉军夺去了！”赵军顿时惊惶失措，一下乱了阵脚，争相逃命，陈余哪里喝止得住，虽然杀了一些逃跑的士兵，也无法挽回败局。汉军两面夹击，越战越勇，一战生俘赵王歇，陈余也被乱兵所杀。
井陉一战，汉军大获全胜，将领们纷纷向大将韩信祝贺。他们问韩信：“兵书上明明写着‘右倍（背）山陵，前左水泽’。行军列阵时，右后方应靠近山陵，前右方应临近水泽，按照‘背山临水’的原则部署兵力。但大将军不照兵法行事，却让我们背水为阵，并蛮有把握地说‘破赵会食’。结果真就获胜，道理何在？请将军明示。”
韩信笑着回答：“这何尝不是兵法？兵法中有这样的话：陷之死地而后生，置之亡地而后存。我们这支队伍并非训练有素，若放在方便之地，一遇挫折必定溃散，惟置诸死地，使他人自为战，方能勇气百倍，无人可当。”诸将听了，无不钦佩。一致称赞韩信善于出奇制胜，他采用的战术超出了一般人的意料。
公元前204年四月，汉王刘邦被项羽围困在荥阳。五月，刘邦率数十骑逃入关中。六月，又被围在成皋，形势十分危急。不得已，刘邦从成皋北门逃出，渡过黄河，来到韩信的驻地小修武（今河南获嘉县），悄悄住进了旅店。
第二天早晨，刘邦自称是汉使者，闯入韩信、张耳的军帐，夺去了他们的印信和兵符，并召集众将，命张耳留守赵地，起用韩信为赵国相国，只给他一小部分军队去攻打齐国。
汉王刘邦率领韩信的大部分兵马，声威大震，便分别在巩县和白马津等地与项羽对抗。九月，项羽亲率大军，东征彭越，刘邦趁机派郦食其前往齐国劝降。与此同时，韩信也按照刘邦之命率兵东进，准备攻打齐国。
当韩信到达平原（今山东平原南）时，齐王田广听从郦食其的劝说，背楚降汉，于是韩信就想停止前进。恰好齐国说客蒯通来投，对韩信说：“将军是奉汉王之命去攻齐，今汉王又暗中派人去劝降，既无汉王命令，将军怎能按兵不动呢？再说郦食其凭三寸不烂之舌，就说降了齐国七十多座城池，而将军数万人马，征战一年，才攻下赵国五十多座城池。你一堂堂大将军，尚不及一白面书生吗？”一席话说得韩信连连点头，便下令大军渡河，继续向齐地进发。
齐王田广听从郦食其的劝降之后，对韩信毫无防备，天天跟郦食其饮酒作乐。汉四年十月，韩信突袭齐国在历下（今山东济南西）的守军成功，直逼齐国国都临淄（今山东淄博）。齐王以为受了骗，将郦食其烹死在油锅里。之后，匆忙逃亡到高密（今山东高密西南），同时派人向项羽求救。项羽立即派大将龙且率军20万，与齐王会合，迎战韩信。
龙且手下谋士献计说：“汉兵长途奔袭，远斗穷战，锐不可当，齐军在本土作战，牵挂家室，容易溃散。所以，最好挖沟筑垒，让那些已丢失的城邑的人知齐王仍在，楚王发了救兵，这样他们就会纷纷起兵反攻韩信。汉军处处受敌，断绝给养，不战自退。”
龙且名为救齐，实则想趁机夺占齐地。他对其心腹说：“我军此来是为了救齐，如汉军不战而降，我还有什么功劳呢？现在我战而胜之，就可得到半个齐国。”
于是，两军在潍河两岸摆开阵势，龙且在河东，韩信在河西，准备交战。
这天夜里，韩信命令部下准备了一万多条口袋，装满沙子，投进潍河上游，这样下游河水变浅。汉军派半数人马涉水过河，去进攻楚军。龙且见状，毫不示弱，亲率大军迎敌。双方接战不久，韩信佯装战败，慌忙撤回河西。龙且以为汉军无能，心中大喜，传命全军渡河追赶，想一举打败韩信。楚军刚刚冲到河心，早已埋伏在上游的汉军突然决开沙袋，河水急流滚滚而下，卷走了大部楚军。韩信指挥汉军回头掩杀，龙且当场阵亡。留在东岸尚未渡河的楚军落荒而逃。齐王田广未及逃跑，便被汉军杀死。
韩信占领齐国以后，派使者上书刘邦，说齐国一向反复无常，难以镇抚，齐国南面又和楚国接壤，如不立一个齐王，恐怕很难巩固。因此，请求立自己为代理齐王。刘邦接书大怒，骂道：“我被围广武山，天天盼望他来助我，不但不来，还要自立为王！”谋臣张良、陈平赶忙踩踩汉王的脚，悄声对刘邦说：“现在形势于我主不利，不如先稳住他，让他守住齐国，免生变故。”刘邦立即明白过来，改口说：“大丈夫南征北战，平定诸侯，应该做个真王，何必代理呢！”这年二月，汉王派张良为使，带着印绶，去封韩信为齐王，同时把韩信的部队调走了很多。
韩信平定齐国，楚汉之间势均力敌，谁胜谁负，韩信起着举足轻重的作用。刘邦为争取韩信，封韩信为齐王。
4.垓下大捷，功臣被诛
汉五年，由于韩信占领了黄河中、下游的广大地区，彭越又在梁地不断骚扰，使楚军供应困难，形势对项羽越来越不利。而汉军方面，萧何不断从关中运送兵员和粮草，支援前线，刘邦兵足粮足，在荥阳以西稳住了阵脚。
这年十月，刘邦见围歼项羽的时机已到，便率兵出阳夏（今河南太康县），同时传令各路诸侯率军西向，在固陵（今河南淮阳西北）会师。不久，刘邦见韩信、彭越、英布等几路兵马先后到达，心中大喜。当下命韩信为总统领，指挥各路大军；又命萧何、陈平、夏侯婴运输粮草，供应前方。成皋、荥阳一路相连几百里，全部是汉军，鼓声、马声、呐喊声，震天动地。
项羽正带领所部人马回奔彭城。当兵至垓下时，登高西望，见踊跃追来的汉兵差不多与蚂蚁相似，不禁仰天长叹道：“我悔不杀刘邦，竟受他欺骗，与他修和！如今他负约发兵追来，真是岂有此理！”一腔怒火不可遏止，立即命十万将士就地扎营，布兵列阵，与汉军决战。
再说韩信受命汉军总统领之后，将三十万人马分成十队，布置了十面埋伏阵，四环接应，日夜操练，声势浩大。总攻开始，韩信请汉王刘邦守住大营，他自率三万人马上前挑战。士兵按韩信命令，冲着楚营高喊：人心皆背楚，天下已归刘。
韩信屯垓下，要斩霸王头。项羽一听，气得七窍生烟，大骂一声：“这个钻裤裆的叫花子！想必活得不耐烦了，待我先杀了他再说！”怒马突出，不顾一切冲杀过去。部下将士，也一齐奋勇向前。两军相接，交战几个回合，韩信且战且走，引项羽入了包围圈。楚将虞子期怕中埋伏，打马追上项羽，进言道：“韩信多谋，汉军势众，主公不必急于追杀，待我江东援兵赶到，汉兵粮草空虚，再杀他也不迟。”项羽狠狠瞪了虞子期一眼，全不把汉军放在眼里，一直杀奔前去。
突然一声炮响，汉军伏兵两路杀出。两军鏖战一阵，项羽冲开汉军，仍要追杀韩信。又听一声号炮，又有两路伏兵杀出，截住项羽，再度厮杀，不多时，又被项羽冲破。项羽性起，有进无退。接连是炮声大响，汉军伏兵四起，十面埋伏，一齐杀出，将楚军围在核心。楚军将士，大多伤亡，项羽自知中计，渐渐疲敝，只得杀开一条血路，带领残部退回垓下大营。他传谕将士小心坚守，不可轻动，伺机再战。
且说所剩楚兵，不足两三万人，垓下被围，岂能动弹！一晃几日，粮草断绝，外无救兵，不禁陷入一筹莫展的苦境。时值深冬，寒风刺骨，楚军将士忍饥受冻，多有怨声。项羽苦思对付汉军的办法，可又无法可想。这天夜里，寒风凄凄，忽高忽低，像是怒号，又像是哭泣。随着风声，忽听周围楚歌四起，低沉凄怆，如诉如泣。楚军将士也被汉军的楚歌引动了思乡之情，纷纷逃散，一夜之间，项羽身边只剩了千把人。第二天早晨。项羽别姬突围，几经转战，只身来到乌江边（今安徽和县东北40里江岸的乌江浦），见前有滔滔江水，后有大队追兵，心灰意冷，拔剑自刎了。时年31岁。
项羽死后，汉军回师定陶，刘邦与张良、陈平二人密议多时，尔后突然闯入韩信大营，夺了韩信的兵符，并对韩信说：“将军屡建大功，寡人当始终不忘。今天下已定，应休兵息民，将军交还兵符就是了。楚地已平，义帝无子嗣，将军本淮阴人，熟悉楚国风俗，寡人改封将军为楚王。”韩信知刘邦仍记前嫌，心境十分悲凉。
公元前197年（汉十年）九月，陈豨起兵反汉，刘邦率兵亲去征讨，朝政交付吕后。韩信推说有病，没有随同前往。
转年正月，韩信的门客向吕后告发韩信勾结陈豨谋反，吕后听了，不动声色，即与萧何密定了杀韩信的计策。
次日，萧何依计命人去请韩信到相府私宴，韩信称病谢绝。萧何又亲到韩府，以问疾为由，直入内室。萧何告知韩信，陈豨叛军已平，约韩信进宫向吕后道贺。韩信跟着萧何来至长乐殿谒贺吕后。吕后一见韩信，便喝令武士把韩信捆起来，也未等高祖回朝，便下令杀死了韩信。临刑前，韩信高声说：“我落入这女人的圈套，难道是天意吗？”说完，被杀于长乐宫钟室，并被夷灭了三族。
史学家司马迁在韩信死后大约70年以后，为给韩信立传，曾到韩信的故里淮阴去考察他的事迹。得知韩信还是一个普通人时，人穷志不穷，和一般人不一样。生活的贫困，世态的炎凉，并没有使他消沉。他苦练武功，揣摩学问，研究兵法战策。这正是他以后能够驰骋沙场，最终成长为一位杰出的军事家的原因之一。
在辅佐刘邦战胜项羽，建立汉朝的历史过程中，韩信表现出卓越的军事指挥才能，有不可磨灭的历史功绩。后人评论：“汉之所以得天下，大抵皆韩信之功也。”这话不无道理。对韩信“连百万之军，战必胜，攻必取”的军事天才，刘邦也心悦诚服，自叹不如。