由于主将灌婴未到，汉军兵马虽多，但却缺乏统一指挥调度，在项羽的一番冲杀之下，整个军阵全都陷入了混乱。
汉军的将领们见状，深知若是继续被项羽这么搅下去，别说击杀项羽了，自己恐怕先得被搅乱了阵脚，于是只得放弃围攻，各自下令收拢军队。项羽则趁着汉军队形变换的空档，率人冲出战圈，继续向南逃去。
待到脱离了包围圈，项羽扭头去看，这才发现一番冲杀下来，自己竟然只损失了两人。看着这些仍然紧紧跟随自己、忠心耿耿的将士，项羽问道，“怎么样？”
将士们虽然个个身负创伤，对于项羽的勇猛却都无比敬佩，纷纷说道，“正如大王说的那样。”
项羽一路带人逃到乌江边，得知项羽向南突围的乌江亭长，早已停船靠岸等在岸边，见到项羽带人赶来，连忙登岸招呼，对着项羽说道，“江东虽然地小，但也有土地纵横一千里，民众数十万，也足够裂土称王了。大王速速渡江，现在只有我这里有船，汉军即便追来，也没办法追赶大王了。”
然而，听了乌江亭长的一番话，项羽却是久久不语，回头看了一眼下马坐在岸边休息的十余名士兵，又想到那些随自己突围却逃走的亲兵，以及故意将自己引入沼泽的农夫，不禁想到：当年我与叔父率领八千江东子弟渡江西征，灭秦国、封天下，称霸于诸侯，何等英雄气概，如今数十万将士尽丧敌手，楚地民心尽失，而刘邦已经雄踞天下，苦苦追击良久，即便无法阻止我渡江，岂能让我占据江东称王？难道我项羽还要把战火引到江东吗？如果不能称王，难道我项羽也要靠着隐姓埋名保命，就此潦倒一生吗？
想到这里，项羽苦笑一声，低声道，“既然上天要亡我，我还渡江干什么！再说当年我率八千江东子弟渡江出征，如今没有一个人回来，纵使江东父老仍然愿意拥立我为王，我又有什么脸面去见他们？纵使他们不会怪罪于我，我项羽难道心中没有愧吗？”
说罢，项羽翻身下马，亲手牵着乌骓马来到亭长身边，对其说道，“我知道您是位忠厚长者，这匹马跟着我征战五年，日行千里、所向无敌，我不忍心杀掉它，就把它送给您吧。”
亭长见状，还想再劝，但已经听到后方马蹄声的项羽，挥手打断了亭长，将马缰交到其手中，催促其速速渡江逃命，然后自己头也不回的拔剑站在了道路中央，那仅剩的十余名亲兵，也艰难起身，手持短剑立于项羽身后。亭长见状，跺了跺脚，只得牵马登船，划着小船渐渐远去。
项羽看着疾驰而来的汉军骑兵，纵使敌军气势迫人，但已经抱着必死决心的项羽，却只是冷笑一声，如同当年随叔父征战时一般，大吼一声便冲了上去，而其身后，那十几个亲兵也都紧随其后冲杀而上。
在项羽这十余人的冲杀之下，汉军骑兵顿时被撞得人仰马翻，后方的骑兵刹不住车，一时间马嘶人喊之声不断，率先追上来的数百汉军骑兵顿时摔倒一片，项羽与亲兵们见状，立即一拥而上，片刻便斩杀了百余人，而身陷重围的项羽身上也受创十余处，一时间血流如注。
这时，不远处又有马蹄声响起，正杀得兴起的项羽回头看去，当他看清当先而来的一名汉军骑将的面容后，脱口道，“你不是我的老相识吗？”
这名汉军骑将名叫吕马童，本为秦国将领，曾随章邯作战，章邯投降项羽后，两人曾有过几面之缘，后随章邯返回关中。刘邦重返关中时，吕马童于好畤转投刘邦，刘邦组建郎中骑兵时，吕马童也加入其中归入灌婴麾下，此时已经累功升任骑司马。
因项羽满脸血污，吕马童看了半天才将项羽认了出来，于是指着项羽，扭头对自己身边的骑将王翳说道，“此人便是项王。”
项羽见状，忍痛转过身来，看着吕马童，喘着粗气道，“我听说汉王用黄金千斤、封邑万户悬赏我的头颅，既然你是我的老相识，我就把这份好处送给你吧！”
说罢，自知再无活路，且已经无力拼杀的项羽，低吼一声，拔剑自刎而死。
王翳等汉军将士见状，顿时一拥而上，互相争抢项王的尸身，甚至为了争功而互相拼杀，直到灌婴率兵赶来，这才制住了混乱的局面。
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最后，数十名汉军将士因争功而死，项羽的尸身亦被斩为五段，已经难辨本来面目，其中骑将王翳争到了项羽头颅，而郎中骑将杨喜、骑司马吕马童、郎中吕胜、郎中杨武各争得一段肢体。
灌婴命五人将项羽的尸身拼凑起来，这才勉强辨别出死者正是项羽，灌婴长吁了一口气，命五人将尸体妥当收敛，然后整顿兵马返回向刘邦汇报。
项羽突围之后，垓下楚军既无士气又群龙无首，此时已经被歼灭。刘邦得知项羽已死，这才心中大定，当场便对获得项羽尸身的五人予以册封，其中吕马童为中水侯、王翳为杜衍侯、杨喜为赤泉侯、杨武为吴防侯、吕胜为涅阳侯。
之后，刘邦命人将项羽死讯通告西楚各地，得知消息的西楚各地纷纷投降，只有当初作为项羽食邑的鲁县拒不投降。刘邦有感于他们恪守礼义，为君主守节不惜一死的大义，命人拿着项羽的头颅给鲁城军民观看，又答应必然厚葬项羽，鲁地父老这才投降。
刘邦与项羽虽为对手，却也对其无比钦佩，因楚怀王曾封其为鲁公，而鲁城又是最后才投降的，刘邦于是亲自为其发丧，以鲁公的礼仪将其安葬在了谷城，并建祠堂以祭祀。
与此同时，在项羽死后，陈婴、吕臣、吕青等楚国旧臣和项伯、项佗等项氏宗族旁支也纷纷投降，刘邦为安抚楚地百姓，全部予以赦免，后来也均予以封侯，并将项氏族人全部赐予刘姓。
平定楚地之后，刘邦率领大军西撤至定陶休整，待各部安营扎寨完毕，刘邦却突然驱马驰入齐王韩信的军营，夺了他的兵权，这显然是因为此前韩信拒不奉命出兵的缘故。如果说修武夺兵还有点偷袭的意味，这次定陶夺兵则是完全当着韩信的面所为，韩信纵然心有不甘，却也无力反抗，只能交出兵权。