公元前203年，刘邦在广武牵制项羽，刘邦在拖住项羽同时另派数路汉军分掠楚地，从后方包抄项羽。
汉将韩信、曹参、灌婴等人在潍水全歼了楚国大司马龙且率领的援齐楚军，平定齐国，对楚军实现了战略包围,使项羽的处境更趋困难。楚军粮食缺乏，既不能进，又不能退，白白地消耗了力量，完全陷入了困境。
彭越、刘贾在楚军后方往来断绝楚军粮食,使项羽得不到补己，而英布也在楚国后方九江攻城略地。
汉将靳歙也深入楚军后方,平定楚国大片领土,东至平定缯、郯、下邳，南至蕲、竹邑。击败项悍济阳下,从后方包围项羽。
灌婴在消灭龙且后，率汉军南下直接攻打西楚都城彭城,项羽得知灌婴横扫彭城周围楚军，大惊失色。因自己被牵制在广武不能动，项羽只得派项声、薛公和郯公率抽调前方和后方组成的大军收复淮北。
灌婴得知楚军主力到了淮北,立即渡过淮河北上，在下邳大破项声，郯公，并将薛公斩首，拿下下邳。在平阳击败楚军骑兵，楚军主力被一扫而空,接着拿下彭城，俘获了楚国的柱国项佗，降服了留、薛、沛、酂、萧、相等县。攻打苦县，谯县，再次俘获亚将周兰。
这时候，楚军东面丧失了龙且军团、项声军团，西面丧失了曹咎军团，南边大司马周殷叛楚率领军团投降汉将刘贾堵截项羽难逃之路，西楚主力基本损失殆尽。楚军的粮草又被彭越截断，人无粮马无草，危机重重。
此刻，西楚都城彭城（今江苏徐州）已被灌婴军占领，九江郡楚大司马周殷叛楚，和英步刘贾军一起北上攻击项羽。西楚只有江东（今江苏南部和上海）一小块地盘了，项羽只能向江东退去。
参战的汉军大将有樊哙、灌婴、夏侯婴、靳歙、周勃、丁义和蛊达，这些都是刘邦的嫡系将领。其他还有数十个列侯嫡系将领也参加了陈下之战。灌婴、靳歙是从东面而来攻击陈县，樊哙、夏侯婴、周勃、蛊达等是从西面攻击陈县，汉军形成了东西夹击之势。
汉四年八月，项羽得知灌婴大破楚军攻下楚国都彭城,后方楚国大片土地已让汉将灌婴、韩信、彭越、靳歙、英布等人占领。知道大势以去,再在广武就会遭到汉军从四面包围，陷入孤立无援以境地。遂拿刘太公威胁刘邦强迫刘邦议和，以鸿沟为界,项羽希望以条约限制刘邦攻楚,能安全返回江东,尔后引兵东逃。
而刘邦为救父亲同意议和。于是，双方进行了历史上著名的“鸿沟和议”，以战国时魏国所修建的运河：鸿沟为界，划分天下。九月，西楚霸王项羽率约二十万楚军绕南路、向固陵方向的迂回线路向楚地撤军。刘邦也欲西返。
但是，正当刘邦打算率军西返之时，张良、陈平却建议撕毁鸿沟和议，趁楚军疲师东返之机自其背后发动偷袭。张、陈二人认为：“汉有天下太半，而诸侯皆附之。楚兵罢食尽，此天亡楚之时也”，建议“不如因其机而遂取之”。
刘邦听取张良、陈平的建议，不顾和约，尾追项羽。不久，汉五年十月（按：这时以十月为岁首），汉军击败楚军取得阳夏（今河南太康），樊哙虏楚周将军卒四千人。
彭越趁项羽向南撤退到夏阳之机，攻克昌邑旁二十多个城邑，缴获谷物十多万斛，用作汉王的军粮。
汉五年十月（按：这时以十月为岁首），汉军取得阳夏，“汉王乃追项王至阳夏南，止军”，与韩信、彭越“期会而击楚军”。汉军到了固陵，韩信、彭越的兵尚未来会。项羽四师反击汉军，史记载汉军被楚军“大破之”。刘邦无奈，只好“入壁，深堑而自守”。（注：出自《史记》《项羽本纪》与《高祖本纪》）
刘邦在固陵止步，在作协调与部署工作，与灌婴、靳歙紧密配合，协调各路大军，在陈县会师合夹击项羽，并预先派黥布重返九江，夺取楚国南部数县，派刘贾策反周殷，攻占寿春，截断项羽逃回江东的归路。
随后刘邦率领灌婴、靳歙、樊哙、蛊达、夏侯婴、周勃、柴武等将领陆续向陈下会合，以及刚投顺于汉军的楚将灵常在陈下与项羽交战。交战的结果，楚军大败，陈公利几向汉方投降，项羽率领败军逃向东南方。汉军大胜，刘邦立即部署追击。
项羽于陈下战败，率残兵败将向南逃跑，由于寿春已被刘贾占据，项羽不得不转向东南方逃跑，来到城父，企图据守于城父对抗汉军，《史记.项羽本纪》载“韩信乃从齐往，刘贾军从寿春并行，屠城父，至垓下。大司马周殷叛楚，以舒屠六，举九江兵，随刘贾、彭越皆会垓下，诣项王。”刘贾离开寿春前往城父，与汉主力会合，最后汉方“屠城父”，是陈下之战与垓下之战间的重要事件，也值得一提。所谓屠城父，是强攻与血洗城父(今安徽亳县东南城父集)的意思。可以想见，屠城父是汉方打击盘据于城父的楚军的一次硬仗。城父处在陈县至垓下的直线中。项羽由陈败退往东南，必经城父。刘邦在陈下取胜，尾追项羽，必然直指城父。韩信、刘贾等将在陈下之战已结束的情况下，不会再去陈下，也一定指向城父。项羽再败于城父，逃到垓下，楚大司马周殷已反叛，举舒县之兵，屠六县（今安徽六安），与撤离城父追击项羽的刘贾会合，彭越、韩信亦赴垓下与汉大军会合，围项羽于垓下。
楚军在陈下与城父遭到汉军两次围追堵截，损失惨重，此时，被包围于垓下的项羽，已是穷途末路。有不少学者也认为，楚汉的最后决战不是垓下之战，而是陈下之战，垓下之战不过是大战最后的收尾而已。
【《汉书 高帝纪》 围羽垓下。羽夜闻汉军四面皆楚歌，知尽得楚地。羽与数百骑走，是以兵大败，灌婴追斩羽东城。】
【《汉书 陈胜项籍传》羽壁垓下，军少食尽。汉帅诸侯兵围之数重…… 于是羽遂上马，戏下骑从者八百余人，夜直溃围南出驰。平明，汉军乃觉之，令骑将灌婴以五千骑追羽。】
由此可见，垓下之战，项羽军可能已是强弩之末，而项羽也最终选择突围而不是作最后一搏。
陈下之战，楚方是项羽亲率的主力部队，有大将钟离眛，还有属于楚的陈公（陈县令）利几等；汉方是刘邦率领出成皋追击之军，有周勃、樊哙、靳歙等将领，加上破彭城后与刘邦会合的灌婴，还有刚来投降的西楚令尹灵常。刘邦亲率汉军从西北方来，灌婴从东方来，对驻陈的楚军形成东西夹击合围之势。交战的结果，楚军大败，陈公利几向汉方投降，汉军大胜。 [2] 项羽战败于陈县，率残兵败将南逃。刘贾已攻占寿春，策反周殷，项羽只得调转马头，转向东南方逃跑，据守城父，汉军再败项羽于城父，项羽逃到垓下。刘邦的大部队迅速追上，刘贾、周殷与英布会合，韩信、彭越也参战，诸侯在垓下把项羽包围。此时的项羽已经是穷途末路。
应该指出，韩信、彭越、英布等都没有参与陈下之战。经陈下一战，纵然“力拔山兮气盖世”的年轻勇猛的项羽也无可奈何。陈下之战，以刘胜项羽而结束，就楚汉相争的决胜阶段来说，陈下之战是垓下之战的先声，垓下之战是陈下之战的发展；没有汉方在陈下的强劲秋风，是不会有楚方在垓下的遍地落叶的。
《高祖功臣侯者年表》所有记载关于汉灭楚战役的最后阶段因军功而封侯者，都只提到到陈下之战，无一提垓下之战，《功臣表》记载的战功是作为功臣封侯的依据，只记陈下而不记垓下，很有可能陈下之战才是楚汉主力决战。专家学者大谈垓下之战，忽视陈下之战，重此轻彼，颇为不妥。
史书上记载的战争损失，一般是人员损失，主要是损兵或者折将。损兵指的是士兵因战死、被俘、逃跑、投降而造成的兵力损失，折将指的是将领战死、被俘或者投降（逃跑的士兵一般还会回来，而且士兵也容易招到;而将领的损失将是无法估量的，千军易得一将难求就说明了将领的重要）我们考虑损失，可以从这两方面衡量，其中史书记载的将领的损失分量是最重的，因为将领损失，往往意味着他所率领的军队大部或者全部覆灭了，成建制的军队覆灭，这样的损失是更难弥补的。虽然陈下之战没有写楚军损失的士兵数量，但记载了楚军损失的将领数量从而可以推断楚军损失士兵数量。
我们来看看楚汉战役潍水之战中楚军的损失来，楚军大司马龙且被斩，亚将周兰被俘，右司马、连尹各一人被俘，骑兵将被俘十人。兵力损失二十万楚军全军覆没。潍水之战楚军损失了十四个将领。
陈下之战，楚军被斩骑兵将二 人，普通将八人，陈县县令利己投降。楚军损失十一个将，只比潍水之战损失小一点点，可以看出项羽率的楚军主力受到重创，楚军士兵损失没有二十万估计也有十万左右，最少七八万应该是有的。鸿沟议和后，项羽率领二十万左右楚军撤退，在阳夏之战和固陵之战楚军连续战败损兵数万，在陈下之战项羽大败，项羽失败已经不可逆转。在垓下之战项羽因此已经无力回天了。
此战与之前成皋之战、阳夏之战、固陵之战和接下来的垓下之战是中国战争史上汉高祖首创后发制人、疲敌制胜的策略。刘邦先在成皋之战采取先疲后打方针，以主力坚壁蓄锐，待机破敌，遣偏师袭扰敌后，断其粮道，逐渐削弱敌之力量，积极创造战机，在项羽疲敌撤兵的路上阳夏之战、固陵之战、陈下之战、垓下之战适时转入进攻，在进攻中连续追击削弱敌人，穷追猛打不给敌方喘息之气，连续作战，终获全胜。
陈下之战，刘邦适时发动追击统帅全局，确定战略，指挥与调动各路人马有方，才取得了决定性的胜利。且不再说刘邦指挥陈下之战，仅以其事先部署刘贾围取寿春，安排英布重返淮南，逼得大司马周殷叛楚归汉，这几着棋来看，就是洞察现实，了解历史，具有战略家高明的眼光和巧妙的手法之体现。
在历史上，秦楚战争最后阶段，楚失郢后都于陈，又吃紧，便徙都寿春，大概楚军实力也集中于此。秦始皇在胜利形势下有点轻敌了，轻信年轻将领李信的狂言，给予他和蒙恬二十万军伐楚，结果在城父损兵折将，被楚军反击得手，大败而回。秦始皇只好请王翦出山，给予六十万大军伐楚。王翦小心谨慎，伺机行事，才取得最后胜利。对比今昔，汉王比之秦皇，在精心策划与部署肯定方面，显然高明一筹！
陈下之战，是楚汉战争中具有决定性意义的一仗，项羽的失败已成为不可逆转的趋势。十二月，刘邦指挥各路诸侯从四面八方围堵项羽退路，在垓下（今安徽灵璧南）合围并大败楚军，项羽突围后自刎于乌江（今安徽和县北）。
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