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。
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，彭越从梁地南下合围楚军。韩信、彭越未能如期南下。刘邦追击楚军至固陵，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，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。
汉将刘贾会同九江王英布自下城父北上；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。
刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计四十万人与十万楚军于垓下展开决战。汉军以韩信率军居中，将军孔熙为左翼、陈贺为右翼，刘邦率部跟进，将军周勃断后。
韩信挥军进攻失利，引兵后退，命左、右翼军继续攻击。楚军迎战不利，韩信再挥军反击。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。
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，只赏他一百钱，并说：“你是个小人，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?杀了他也不会扬名，所以就忍了下来，这才有了今天的成就。”
项羽兵败后，他的逃亡将领钟离眛因素来与韩信关系很好，就投奔了韩信。
刘邦记恨钟离眛，听说他在楚国，就下令楚王逮捕他。那时韩信初到楚国，到各县乡邑巡察进出都派军队戒严。有人告韩信谋反。刘邦用陈平的计策，说天子要出外巡视会见诸侯，通知诸侯到陈地相会，说：“我要游览云梦泽。”
其实是想要袭击韩信，韩信却不知道。刘邦将到楚国时，韩信打算起兵谋反，但又认为自己无罪；想去谒见刘邦，又怕被擒。
这时有人向韩信建议：“杀了钟离眛去谒见汉高祖，高祖必定高兴，也就不用担心祸患了。”
于是韩信把此事与钟离眛商议，钟离眛说：“刘邦之所以不攻打楚国，是因为我在你这里，如果想逮捕我去讨好刘邦，我今天死，随后亡的定是你韩信。看来你也不是位德行高尚的人。”结果钟离眛自杀而亡。
韩信持钟离眛首级去陈谒见刘邦。刘邦令武士把韩信捆绑起来，放在随从皇帝后面的副车上。韩信说：“果若人言，‘狡兔死，良狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’天下已定，我固当烹！”
刘邦说：“有人告你谋反。”就给韩信戴上械具。回到洛阳，赦免了韩信的罪过，改封他为淮阴侯。
韩信被贬为淮阴侯之后，深知高祖刘邦畏惧他的才能，所以从此常常装病不参加朝见或跟随出行。韩信由此日益怨恨，在家中闷闷不乐。
对于和绛侯周勃、颍阳侯灌婴等处在同等地位感到羞耻。一次韩信去拜访樊哙，樊哙行跪拜礼恭迎恭送，并说：“大王竟肯光临臣下家门，真是臣下的光耀。”韩信出门后，笑道：“我这辈子居然同樊哙等同列！”
刘邦曾经悠闲地和韩信谈论各位将军才能的高下，认为各有长短。皇上问韩信：“像我的才能能统率多少兵马？”韩信说：“陛下不过能统率十万。”刘邦说：“你怎么样？”回答说：“我是越多越好。”
皇上笑着说：“您越多越好，为什么还被我辖制？”韩信说：“陛下不善于统领士卒而善于领导将领，这就是我被陛下辖制的原因。况且陛下是上天赐予的，不是人力能做到的。”
陈豨被任命为钜鹿郡守，向淮阴侯辞行。韩信拉着他的手避开左右侍从在庭院里漫步，仰望苍天叹息说：“您可以听听我的知心话吗？有些心里话想跟您谈谈。”
陈豨说：“一切听任将军吩咐！”淮阴侯说：“您管辖的地区，是天下精兵聚集的地方；而您，是陛下信任宠幸的臣子。