韩信又下令军中不许杀李左车，有能擒者赏千金。不久，擒获广武君，韩信亲自上前松绑，请广武君面东而坐，自己执弟子之礼。
韩信大获全胜，诸将前来祝贺，问到：“兵法上说，布阵应是‘右背山陵，左对水泽’，如今将军却背水为阵，还说破赵军之后会餐，当时我们不服，然而取胜了，这是什么战术?”韩信说：“此在兵法，顾诸君弗察耳。兵法不曰‘陷之死地而后生，投之亡地而后存’乎？且信非得素拊循士大夫，经所谓‘驱市人而战之’也，其势非置死地，人人自为战；今即予生地，皆走，宁尚得而用之乎！”(《汉书·韩信传》)诸将听了都自叹不如，更加佩服韩信的用兵之术了。
然后韩信向李左车请教攻燕(燕王臧荼，都蓟，今北京)、伐齐之事。广武君辞谢说：“我听说，败军之将不可言勇，亡国之臣不敢语政。现在我是败军之将，亡国的俘虏，哪里有资格同你谈论国家大事?”韩信说：“我听说百里奚在虞国时，虞国灭亡，在秦国而秦国称霸，这不是因为他在虞国时愚蠢，在秦国时聪敏，而是在于国君是否重用他，是否采纳他的意见。假使成安君陈余听了你的计策，那我韩信现在已成了阶下囚了。我是诚心向你求教，请你不要推辞。”广武君说：“我听说：智者千虑，必有一失；愚者千虑，必有一得。所以说即使是犯人的话，圣人也可以有选择地采纳。不过恐怕我所献的计策不一定值得采用，但我仍愿献上我的愚见。成安君虽有百战百胜之计，可一招失算，军败鄗下，身死泜水。现在将军涉西河，虏魏王豹，擒夏说于阏与，一举攻下井陉口，在不到一上午的时间就打垮赵二十万大军，诛杀成安君，名闻海内，威震天下。使敌国百姓放下农具，停止工作，吃好的，穿好的，专心倾听您下令进军的消息，这些是的长处。然而将士疲惫，实际情形是难以用兵。现在将军要率领疲惫劳苦的士卒，停顿在燕国坚守着的城池之下，想战又恐怕拖得太久，力量耗尽而不能攻克，实情暴露，而弱燕不肯降服，齐国也必然固守边境以图自强。燕、齐相持不下，那么刘邦和项羽的胜负也就分不出来。这是将军的短处。我认为‘北攻燕、东伐齐’的计策是失策。善于用兵的人常用己之长击他人之短。将军不如按兵不动，休整士卒，安定赵地，抚恤遗孤，日日牛酒犒赏将士，摆出攻打燕国的态势。而后遣辩士去游说燕国，把自己的优势充分显示在燕国而前，燕一定不敢不听从您。燕降服后再派辩士以燕已降汉说齐，齐必从风而服，即使有再聪明的人也不知道该怎样替齐国谋划了。像这样，天下的大事就好办了。用兵之道，本来就有先声夺人，再动实际的策略。”
韩信听从广武君的计策，派使者去燕，燕听到消息立即投降。韩信又请求立张耳为赵王，镇抚赵国，刘邦同意，就封张耳为赵王。
此时，楚多次派兵渡黄河击赵，赵王张耳和韩信往来救援，行军中安定了许多赵国城池，并发兵支援刘邦。当时楚国正在荥阳围困刘邦，刘邦逃跑到宛、叶间，收服英布同入成皋，楚又急忙围攻成皋。汉三年六月，汉王出成皋向东渡过黄河，单独与夏侯婴跑到了修武的张耳军中，一大早自称汉使人赵军营。张耳、韩信还没起床，刘邦径直进其卧室，夺取了他们的印信兵符，召集诸侯，调动了诸侯的位置。等张耳、韩信起床后才得知汉王来过，不禁大惊失色。汉王夺了两人的军队，命令张耳备守赵地，任命韩信为相国。收集没有调到荥阳的赵兵去攻打齐国。
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。
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：“大丈夫定诸侯，即为真王耳，何以假为！”(《史记·淮阴侯列传》)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。
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)。
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，良狗亨；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡。’天下已定，我固当亨！”(《史记·淮阴侯列传》)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。
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!”
高祖刘邦高兴时常同韩信闲谈将领们才能的高下，刘邦问：“如我能将几何？”韩信说：“陛下不过能将十万。”刘邦问：“于君何如？”韩信说：“臣多多而益善耳。”刘邦笑着说：“多多益善，何为为我禽？”韩信说：“陛下不能将兵，而善将将，此乃言之所以为陛下禽也。且陛下所谓天授，非人力也。”(《史记·淮阴侯列传》)
韩信在被软禁的时间里与张良一起整理了先秦以来的兵书，共得一百八十二家，这也是我国历史上第一次大规模兵书整理，为我国军事学术研究奠定了科学的基础。同时还收集、补订了军中律法。著有兵法三篇，已佚。
陈豨被封为巨鹿郡郡守，前来向韩信辞行。韩信辞去左右，拉着陈豨的手仰天长叹道：“你可以同我说知心话吗?我有话想同你讲。”陈豨表示一切听从将军的命令。韩信说：“你所管辖的地方，是屯聚天下精兵的地方，而你又是陛下亲信宠爱的臣子，若有人说你谋反，陛下一定不相信；如果再有人告你谋反，陛下就会产生怀疑；如果第三次有人告你谋反，陛下定会大怒而亲率军队征讨。我为你在京城做内应，就可图谋天下了。”陈豨平素就了解韩信的才能，相信他的计谋，表示一切听从韩信的指示。
汉十年(前197年)，陈豨果然谋反。刘邦亲自率兵前去征讨，韩信称病不随高祖出征。有人告韩信与家臣谋划：可以在夜里假传诏旨，赦放那些在官府中的囚徒和官奴，然后率领他们去袭击吕后和太子。这时韩信的一位门客得罪了韩信，韩信囚禁了他。那位门客的弟弟就向吕后密告韩信要谋反的情况。吕后无明确证据，只有把韩信骗来，于是与相国萧何商议，说陈豨已被杀死，诸侯群臣都前来进宫朝贺。韩信因为和萧何的友情，入朝进贺，吕后派武士把韩信捆缚起来，在长乐宫中的钟室里斩杀了他，并被诛灭三族。韩信临斩时说：“吾不用蒯通计，反为女子所诈，岂非天哉！”
公元前196年寒冬正月，大汉开国元勋淮阴侯韩信死于长乐钟室，年仅三十三岁。随后，韩信三族被诛，数千无辜，血染长安，哭号之声，传荡千古，当是时，寒风凛冽，长空飘雪，长安满城人尽嗟叹，无不悲怆，皆言淮阴侯一饭千金，不忘漂母；解衣推食，宁负汉皇？萧何一言便强入贺，欲谋逆者怎会坦率如斯？是侯不负汉，而汉忍于负侯，侯之死，冤乎哉！ 不日，蒯通被带到，高祖亲自审问。“当日汝与韩信之言，究竟为何？” 蒯通道：“吾相韩信，言其面不过封侯，背则贵不可言。因说之背汉自立，则可三分天下也。” 高祖又问：“然信有何言？” 蒯通长叹一声道：“韩信言：‘汉王遇我甚厚，载我以其车，衣我以其衣，食我以其食。吾闻之，乘人之车者载人之患，衣人之衣者怀人之忧，食人之食者死人之事，吾岂可以见利而忘义乎？’” 高祖顿时愣住，良久没有说话，眼泪却在眶中打转了。蒯通又叹道：“汉之所以得天下者，大抵淮阴侯之功也。然彼竟不听臣言，心念陛下解衣推食之恩，而引军南下，败项王于垓下，交兵而归楚，劝进于汜水，迎陛下于陈，观此种种，岂有反心？嗟夫，昔日楚汉之命皆悬于彼，彼却毫无反心，今天下已集，且无权无兵，彼竟心生反意，而勾结陈豨，欲谋不轨，韩信真乃一愚人哉！”对于蒯通的反问高祖不忍再听，便转过头去，挥手道：“置之！”
