韩信实地考察了地形，了解到陈余胃口很大，想在井陉口一口吃掉汉军。据此，韩信设下奇计，决定虚虚实实，诱击敌人。这天，他挑选二千骑兵，各持一面汉军旗帜，夜间抄小路绕至赵军的侧后方，悄悄埋伏。他命令他们说：“战斗打响后，赵军见我军后退，一定会倾巢出动，予以追击。那时，你们可迅速占领赵军大营，拔去赵军旗帜，插上汉军旗帜。”二千骑兵领计而去。韩信传令开饭，大声说：“今日大破赵军后会餐。”当时，赵军二十万，汉军只有四五万，将士们不大相信会“大破赵军”，勉强应付说：“是。”然后，韩信命一将军，率一万先头部队先行，接近井陉口，背水列阵。那位将军担心会受到赵军的攻击。韩信满有把握地说：“不会。赵军抢占有利地形，筑成壁垒，意在全歼汉军。他们不见我大将军的旗鼓，不会出击。因为他们担心因小失大，出击了，我会统领主力撤退。”一切皆如韩信所料。汉军的先头部队，顺利渡河，背水列阵，占稳了一个阵地。陈余等见此情形，无不讥笑，笑他韩信不懂兵法。须知，背水列阵，正犯了兵家之大忌。天色大亮时，韩信打出“大将军”的帅旗，统领大军，擂鼓呐喊，进攻井陉口。陈余认为决战时刻已到，命令赵军大开营垒，全体出动，迎战汉军。双方激战许久，韩信、张耳佯装战败，丢弃旗鼓，有序撤退，逐渐与先头部队会合。赵军以为打了胜仗，一面追赶汉军，一面争抢战利品。汉军合兵一处，背水而战，没有退路。因此，他们拼死冲杀，以一当十，勇猛无比。陈余一时不能战胜韩信，下令鸣金收兵，返回营垒。不想，赵军的营垒早被韩信埋伏的二千骑兵夺得，赵军的旗帜全部换成了汉军的旗帜。陈余大惊失色，以为赵王歇已被汉军俘虏。赵军将士更是惶恐，扔掉兵器，争相逃命。韩信指挥汉军，夹击杀敌。结果，赵军落花流水，陈余被擒杀。韩信乘胜进攻赵都邯郸，活捉赵王歇。赵国灭亡。
战后，将军们请韩信讲解用兵方略。韩信说：“兵书上不是说过‘陷之死地而后生，置之绝地而后存’吗？我们的士兵多是新兵，带领他们作战，跟带领市人作战没有什么两样。背水列阵，就是把士兵置于死地和绝地，使之人人为自我而战，退缩就意味着死亡。如果把士兵放在安全地带，那么战斗打响，他们一紧张，争着逃跑，哪里还会服从号令？”众将听了，无不佩服，说：“我等非所及也。”
赵将李左车也被活捉。韩信知道他有谋略，以礼相待，并虚心地向他请教用兵燕国和齐国的计策。李左车谦逊一番后，说：“大将军旬日之内，大破赵军二十万众，名闻海内，威震诸侯。然而兵劳卒疲，难以继续作战。足下举疲惫之兵，进攻燕国，欲战不拔，旷日持久，粮食供应大成问题。攻燕不破，齐必拒境自强。若此，汉王和项羽谁胜谁败，就很难说。”韩信说：“那我该怎么办呢？”李左车说：“当今之计，不如按甲休兵，体恤将士，抚慰百姓，并陈兵于燕国边境，派遣使臣使燕，晓以利害，燕王不敢不听。燕国顺服了，齐国自然会不战而降。”
韩信依计而行，果然奏效，燕王投降。韩信把情况报告刘邦。刘邦大喜，接受韩信的建议，封了张耳为赵王。项羽和刘邦在荥阳一带展开了拉锯战，刘邦屡打败仗。公元前204年秋天，刘邦又败，北渡黄河，悄悄到了韩信、张耳驻军处修武（今河南获嘉南）。韩信、张耳思想松懈，毫无防备，还在睡觉。刘邦进入军帐，轻而易举地收取了二人的印符。韩信、张耳发觉，为时已晚，伏地请罪。韩信从此不再是大将军，但仍作为一军的统帅，兼挂相国头衔，奉命进攻齐国。
韩信进军至平原（今山东平原南）。刘邦派遣的使臣郦食其，已说服齐王田广背楚降汉。韩信停止前进。谋士蒯通说：“汉王命令将军进攻齐国，齐国虽降，但并未撤销进攻的命令。郦食其不过是个儒生，他能说降齐国七十余城，难道将军就不如他吗？”韩信觉得此话有理，继续向齐国进军。田广因为降汉，未作任何防备。韩信全速进军，直逼齐都临淄。田广认为郦食其欺骗了自己，将其烹杀，随后逃至高密（今山东高密西南），重新归附项羽，并向项羽求救。项羽派出大将龙且，率兵二十万救援田广。韩信和龙且大军相拒于潍水，韩信采用上游堵水的办法，临战时放水淹没楚军。楚军全军覆没，龙且自杀。韩信四处进军，生擒田广，攻占了整个齐国。潍水之战，歼灭了项羽的大量有生力量，改变了楚汉战争的形势，使汉军在战略上和兵力上都占了优势。韩信占领黄河以北的广大地区，拥有雄厚的兵力，因功而骄，逐渐变得桀骜不驯了。
公元前203年初，项羽和刘邦对峙于荥阳。韩信派人上书刘邦，以“齐人夸诈多变”为由，请求封他为“假（代）王”。刘邦认为这是邀功求封，非常恼火，骂道：“吾困于此，日夜盼他相助，他却想自立为王！”张良赶忙从案下踢刘邦的脚，说：“汉王不利，宁能禁止韩信自王乎？不如因立，善遇之，使自为守。不然，变生。”刘邦立刻会意，因复骂道：“大丈夫定诸侯，即当真王耳，何以假为？”随即派张良前往临淄，正式封韩信为齐王，命他继续进攻项羽。项羽也看到了韩信的重要，特派武涉前往游说，拉拢韩信。武涉对韩信说：“当今项王、汉王之事，权在足下。足下右投则汉王胜，左投则项王胜。项王今日亡，则汉王次取足下。足下与项王有旧故，何不反汉联楚，三分天下而王之？”这番话本来是可以打动韩信的心的，可惜为时太晚。韩信说：“我曾事奉项王数年，官不过郎中，位不过执戟，进言不听，画策不用，这才背楚归汉。汉王授我上将军印，数万之众，解衣衣我，推食食我，言听计用，我才能有今天。汉王亲信于我，背之不祥。”武涉辞去。谋士蒯通更看到韩信在项羽、刘邦中间举足轻重的地位，劝说韩信脱离刘邦，自立为王，三分天下占其一。韩信当时并不认识刘邦的为人，没有那样做，决心服从刘邦，并为之打天下。蒯通见韩信缺少政治远见，叹息一番，归隐山林。
是年九月，项羽和刘邦鸿沟（今河南荥阳广武山间）划界，议和罢兵。项羽东撤，而刘邦却撕毁和约，追击项羽，同时命韩信前来会合。刘邦抵达固陵（今河南太康），迟迟不见韩信前来。张良料定韩信意在讨价还价，建议刘邦给他增加封地。刘邦无奈，决定把陈县（今河南淮阳）以东直至海边的土地，封给韩信。韩信立即统兵，前来参战。同时参战的还有彭越、英布等王的兵马。年底，各路汉军将项羽合围于垓下（今安徽灵璧东南），四面楚歌，风声鹤唳。项羽兵力丧尽，在乌江边（今安徽和县东北）自杀。历时四年多的楚汉战争，刘邦取得了最后的胜利。
楚汉战争刚刚结束，刘邦便削夺了韩信的兵权，改封他为楚王，都下邳（今江苏睢宁西北）。韩信哭笑不得，意识到刘邦是在利用而不是真正相信自己。他在下邳，找到青年时代的几个熟人。一是漂母，赐予千金；一是亭长，仅赐百钱；再一个便是那个羞辱他的恶少，召入军中，任为中尉。他告诉部下说：“此壮士也，方辱我时，宁不能死？死之无名，故而成就了今日的功业。”
公元前202年，刘邦当了皇帝，定都长安（今陕西西安汉城）。韩信就任楚王，出入均有士兵护卫。项羽部将钟离昧原与韩信要好，特来投奔。韩信不知其中的厉害，予以收留。有人据此大做文章，告发韩信将要谋反。刘邦疑忌韩信，却又不敢和韩信发生正面冲突。陈平献计，假装巡游云梦（今湖北一带），趁机收捕韩信。韩信感到了危险，很想发兵以拒，但认为自己无罪，处之泰然。他必须去见刘邦，又怕被擒，心情矛盾。有人说：“大王可将钟离昧斩首，皇上必喜，自可免祸。”韩信去和钟离昧商议。钟离昧说：“刘邦之所以不敢进击韩公，是因为有我钟离昧在；韩公若杀我以媚刘邦，我今死，你随后必亡矣！”他大骂韩信说：“公非长者！”随后自杀。韩信携带钟离昧的首级去见刘邦。刘邦一声令下，武士将韩信捆缚，载回洛阳。韩信后悔莫及，叹息说：“果如人言：‘狡兔死，走狗烹；飞鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’今天下已定，我固当烹。”
刘邦回到长安，考虑到韩信所建立的功勋，并没有杀他，而是将他贬为淮阴侯。韩信深知刘邦是畏忌自己的才能，称病不朝，心生怨望。他依然骄傲，耻于与将军周勃、灌婴等人同列。一天，他路过将军樊哙府第，樊哙热情迎送，甚至自称“臣”。韩信离开时大笑说：“没想到我竟会和樊哙这样的人为伍！”还有一天，刘邦从容地和韩信谈论军事统帅的能力问题，突然说：“如我，能将（统率）多少兵马？”韩信说：“陛下只能将十万兵马。”刘邦说：“如你如何？”韩信说：“如臣，多多益善耳！”刘邦冷笑，说：“既然如此，那么，你为何被我所擒呢？”韩信不想使刘邦过分难堪，换了一种口气说：“陛下不能将兵，而善将将，韩信因而被陛下所擒。而且，陛下神威天授，非人力也。”刘邦听了这几句恭维话，转怒为喜。
公元前197年，阳夏侯陈豨出任代王刘如意的相国，行前拜访韩信。韩信与之密谈，说：“公之所居，天下精兵处也；而公，陛下之幸臣也。人说公反，陛下必不信；再说，陛下乃疑；三说，陛下必怒而亲征之。吾为公从中起，天下可图也。”
陈豨到了代国，果然自称代王，举兵反汉。刘邦统领大军，前往征讨。这期间，韩信和陈豨保持着秘密的联系，韩信还与家丁谋划，准备夜袭皇宫，诛杀皇后吕雉和太子刘盈。吕雉侦察到这一情况，召见丞相萧何，设下圈套。公元前196年正月，吕雉谎称前线来人，报告刘邦征讨陈豨，大获全胜，陈豨已死。萧何登门邀请韩信，骗他入宫，朝贺吕雉。韩信进入长乐宫钟室，吕雉设伏的武士捉住韩信，当场斩首。韩信死前仰天长叹，说：“吾不用蒯通计，反为女子（吕雉）所诈，岂非天哉！”吕雉斩草除根，夷灭韩信三族。
韩信到底有没有谋反？许多史学家对此存有疑问。封建统治阶级诛杀功臣，常常是欲加之罪，何患无辞。刘邦即帝位后，曾称韩信为“人杰”之一，说：“连百万之众，战必胜，攻必取，吾不如韩信。”正因为如此，他畏忌韩信和迫害韩信，完全是情理中的事。“狡兔死，走狗烹”，这是封建皇帝巩固皇权统治的必然手段和必然结果，