项羽自忖不能脱身，就部下说：“我从起兵到现在已经八年，经七十余战，抵挡我的人都被我攻破，我打击的人都表示臣服，未尝败北，遂称霸天下，现在困于此，不是我不会打仗，而是天要亡我。今日是要决死战了，我要为诸君痛快地一战，必定要胜利三次，为诸君击溃包围、斩将、砍旗，让诸君知道，是天要亡我，非我不会打仗。”于是，他分骑兵为四队。
此时，汉军围困数重，项羽对他的骑兵们说：“我为你们杀掉对方一将。”他命令骑兵们分四面向山下冲，约在山东面会合，项羽大呼驰下，斩杀一汉将。赤泉侯杨喜追项羽，项羽大喝一声，杨喜的人马俱惊，退后数里。项羽与骑兵分为三队，汉军不知项羽在哪队，就也分三队包围，项羽飞驰而出，又斩杀一汉将，同时杀近百人，再会合骑兵，仅损失两骑，项羽问：“怎么样？”骑兵们钦佩地回答：“和大王说的一样”。
项羽一路逃到乌江，遇见乌江亭长，亭长劝项羽可以回到江东以图东山再起，但项羽以无颜见江东父老为由拒绝，并将自己坐下马赐予亭长。于是，项羽下马步战，一口气杀了汉兵几百人，自己也受了十几处的伤。
此时，汉骑司马吕马童追来，项羽说：“你不是我的故人吗？”吕马童不敢正视项羽，指着同僚郎中令王翳说：“这就是项王。”项羽说：“我听说刘邦用千金买我脑袋，还可以食邑万户，我这就给你恩惠！”而后挥刀自刎，项羽的头颅被王翳取走，其余骑兵争相抢夺项羽尸体，以致有数十人死伤，最后郎中骑杨喜，骑司马吕马童，郎中吕胜、杨武各自得到项羽尸体一部分，都被刘邦封侯。
项羽死后，楚地都降汉，唯独项羽原来的封邑鲁地拒绝降汉，刘邦率领诸侯兵，拿着项羽的头颅去招降鲁地父老，使鲁地降汉。随后刘邦便以鲁公的规格安葬项羽于谷城，项羽的同姓宗亲都被赐姓为刘，余部必须直呼项羽的名字项籍，才能被汉朝录用为官。
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