妙计灭齐
韩信引兵东进击齐，未到平原渡口，得知郦食其已说齐归汉。韩信想停止，范阳辩士蒯通劝韩信说：“将军奉诏攻打齐国，而汉王只不过派密使说服齐国归顺，难道有诏令叫您停止进攻吗况且郦生不过是个说客，凭三寸之舌就降服齐国七十多个城邑，将军统帅几万人马，一年多时间才攻占赵五十多个城邑，一个将军反倒不如一个儒生的功劳吗”韩信听从蒯通说法，率兵渡河击齐。这时齐国已决计降汉，对汉军的戒备松懈，韩信乘机袭击了齐驻守历下的军队，一直打到临淄。齐王田广惊恐，认为是郦食其出卖了自己，便把他煮死了。齐王逃到高密后，派人向楚求救。当韩信袭破临淄时，项羽闻讯遣龙且亲率兵马与齐王田广合力抗汉，号称二十万众。有人前来向龙且献计：汉军远征作战，所向披靡，而齐，楚本土作战兵易涣散，不如深沟高垒，以守为攻。招抚已沦陷城邑，使知齐王存，楚来救，这必定使汉军得不到粮食，会不战自败。龙且轻视韩信，又急求战功，不用此计，率兵与韩信军隔潍水东西今山东境内的潍河摆开阵势。韩信连夜派人做了一万多条袋子，盛满沙土，壅塞潍河上流。率一半军队涉水进击龙且之阵，龙且出兵迎击，韩信佯装败退，龙且以为韩信怯弱，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。
平定四国
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。”
汉高帝五年公元前202年，刘邦趁项羽无备，楚军饥疲，突然对楚军发动战略追击。约韩信从齐地今山东，彭越从梁地今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今河南淮阳西北，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，划陈今河南淮阳以东至海广大地区为齐王韩信封地封彭越为梁王，划睢阳今河南商丘以北至谷城今山东东阿南，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，占领楚都彭城今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县城父集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，项羽被迫向垓下今安徽灵璧南，一说今河南淮阳、鹿邑间退兵。
五年十二月，刘邦、韩信、刘贾、彭越、英布等各路汉军约计40万人与10万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：“人心都向楚，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，项羽逃至东城自刭而死。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，都下邳今江苏邳县东。
项羽兵败后，他的逃亡将领钟离昧因素来与韩信关系很好，就投奔了韩信。刘邦记恨钟离昧，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。汉六年前201年有人告韩信谋反。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：“杀了钟离昧去谒见汉高祖，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昧商议，钟离昧说：“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。”结果钟离昧自杀而亡。韩信持钟离昧首级去陈谒见刘邦。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！”高祖说：“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。
