韩信平魏后，根据出现的有利形势，又提出“请兵三万人，愿以北举燕、赵，东击齐，南绝楚粮道”的战略计划。这一计划很有远见卓识，极大地影响了楚汉战争的进程，对刘邦转弱为强，由不利转为有利，起到了关键性的作用。当时广大北方各诸侯国，大都成自立状态。楚汉主力则在成皋、荥阳相距，韩信看出了这一契机，认为趁项羽无力北顾，诸侯各自为政之际，如能率一支有力部队，开辟北方战场，略取河北各国，则既可扩大地盘，又可用燕、赵之士扩大汉军，对楚军右翼可形成绝对优势。如再转锋南向，即可对彭城形成战略包围，兴汉灭楚的计划就不难实现。韩信在这一有利形势刚刚露头的时候，就能抓住不放，通盘考虑，提出建议，他的战略敏感性和洞察力，确是异乎寻常的，令人击节称赏。
同年九月，韩信攻破代国，乘势东进，于次年初进击赵国。赵王歇及陈馀集中赵军于井陉口（河北井陉西北），号称二十万，准备与汉军决战。井陉是太行八陉之一。是由代去赵的必经险地。
广武君李左车向陈馀建议说：“井陉之道，车不得方轨，骑不得成列；行数百里，其势粮食必在其后。愿足下假臣奇兵三万人，从间道绝其辎重；足下深沟高垒。坚营勿与战。彼前不得斗，退不得还，吾奇兵绝其后，使野无所掠，不至十日。而两将之头可致于麾下。”陈馀自称“义兵”，不愿用“诈谋奇计”。他认为“韩信兵号数万，其实不过数千。能千里而袭我，亦已罢极，今如此避而不击，后有大者，何以加之，则诸侯谓怯，而轻来伐我。”拒绝了李左车的建议。
韩信侦知陈馀不用李左车之计，大喜，引兵下太行，至距井陉口三十里处宿营。半夜，选派轻骑二千，各带汉军红旗一面，从间道至赵营附近潜伏。韩信指示统兵官说：赵军见我退走，必全军出营追击；你们趁机突入赵营，拔去赵旗，换插汉军红旗。又通知部属：“今日破赵会食！”韩信判断陈馀不会攻击先头部队，以免吓走汉军主力，遂先派万人通过井陉隘路，渡过绵蔓江（由山西平定东流，出井陉南，经井陉东向北流入冶河），在赵营以西背水列阵。天明，汉军万人带大将旗鼓出井陉口，越背水阵而进，赵军开始出击。双方激战后，韩信佯败，弃旗鼓，退入背水阵，赵军果然空营出击，争抢旗鼓，追击汉军。汉军伏兵两千骑乘虚突入赵营，换插汉旗。赵军攻不下背水阵，想收军回营，见营垒之上尽为汉旗，大惊，以为赵军将帅已被俘，军队溃败。汉军乘势夹击，大破赵军，斩陈馀，擒赵王歇，李左车亦被汉军俘获。
战后，诸将贺毕问韩信说：“兵法‘右倍（背）山陵，前左水泽。’今者将军令臣等反背水阵，曰‘破赵会食’，臣等不服，然竟以胜。此何术也？”韩信解释说：“这就是兵法所说的，‘陷之死地而后生，置之亡地而后存’。我并不是一个对人素有恩信的人，实际上是‘驱市人而战之’，其势非置之死地，不能使人人各自为战。如置之生地，岂不都想逃生。”诸将听了都很信服。
韩信背水破赵，以少胜多，是历史上一次很著名的战例。韩信探明陈馀的战役指导是决战防御，企图堵住井陉出口，乘汉军通过险隘，兵力难以迅速集结、展开之际，依托壁垒，倾师与汉军决战，即采取诱敌出壁，背水死战，奇兵破壁，前后夹击的方针来对付赵军。这个战役指导，是完全符合敌我双方的客观情况的，所以取得了全胜。采取背水阵应该是有条件的。韩信对此说得很透彻，自己威望、恩信都不够，部队都是临时收编、征调来的，并非训练有素，无异“驱市人而战”，非置之死地，不能使人人自为战。
李左车是赵国谋士，对比邻的燕国比较知情。韩信为了击燕破齐，释放李左车并向他请教破燕之策。李左车说：“虏魏王，禽夏说阏与，一举而下井陉，不终朝破赵二十万众，诛成安君。名闻海内，威震天下”，这是将军之所长。但经过破魏之战，汉军已经疲惫，以疲惫之兵击燕，则可能顿兵坚城；燕不能下，齐亦难下，冀、鲁战场，势成僵局，对孤军远出的汉军很不利；应采取先声后实之计，先迫降燕国，然后齐亦可下。李左车的先声后实，就是暂停进军，一面安抚赵国，一面休整军队。做好北向击燕的准备，然后“遣辩士奉咫尺之书，暴其所长于燕，燕必不敢不听从。”
韩信按李左车之计实施，燕果然投降。
汉王刘邦三年（公元前204年）九月，韩信奉命率军进攻齐国。当其将到平原津（山东平原南）时，听说刘邦已派郦生说降了齐国，韩信遂准备止军不进。谋士蒯通对他说：将军受诏击齐，而汉独发间使下齐，宁有诏止将军乎！何以得毋行也！且已兵临齐境，焉能无功而还。韩信从其说，进军渡过黄河。这时齐王已听从郦生的意见，遣使与汉议和，撤去历下（山东济南）守备，韩信遂袭破历下齐军，直逼临淄。齐王田广以为郦生有意欺骗、出卖自己，烹了郦生，逃往高密，遣使向楚求救。韩信于汉王刘邦四年初占据临淄后，继续东追齐军。项羽派龙且率军，号称二十万，北救齐。
龙且率楚军与齐军会合后，有人向龙且建议：“汉兵远斗穷战，其锋不可当。齐、楚自居其地战，兵易败散。不如深壁，令齐王使其信臣召所亡城，亡城闻其王在，楚来救，必反汉。汉兵二千里客居，齐城皆反之，其势无所得食，可无战而降也。”龙且不同意这一正确意见，说：“吾平生知韩信为人，易与耳。且夫救齐不战而降之，吾何功？今战而胜之，齐王半可得，何为止。”龙且轻敌贪功，率楚、齐军与韩信军夹潍水对峙。
韩信为了击破新锐的楚军，命人以沙袋万余只，堵塞潍水上游，然后率军渡河进攻龙且。俟楚、齐军出战，即佯败而退。龙且大喜说：“固知信怯也。”遂引军渡水追击。上游汉军按预定计划放水，大水骤至，楚、齐军仅小半进至西岸，汉军还军急袭，阵斩龙且。东岸楚、齐军遂散去，齐王田广逃亡。韩信率军迫至城阳，尽俘楚军及齐王田广，齐地悉定。
韩信平齐后，派灌婴率一部兵力南下，破薛郡（山东曲阜），进至下相（江苏宿迁西南）、僮县（江苏泗县东北）、取虑（安徽灵璧东北），渡过淮河，尽降其城邑，前锋到达广陵（江苏扬州）。在撤军北归时，又破楚军项声部等于下邳（江苏睢宁西北）。
韩信在破魏后提出的破赵下齐，“南绝楚粮道”，从北翼对彭城形成战略包围的计划已完全实现。不仅囊括了整个北方，平定了代、赵、燕、齐四国，而且还歼灭了龙且所率楚军主力的有力一部，为垓下决战创造了极为有利的条件。
韩信破龙且后，刘邦用张良之计，立韩信为齐王。项羽派武涉去游说他“反汉与楚连和”，并许其亡汉后平分天下，韩信严词拒绝，说：“臣事项王，官不过郎中，位不过执戟，言不听，画不用，故倍（背）楚而归汉。汉王授我上将军印，与我数万众，解衣衣我，推食食我，言听计用，故吾得以至此。夫人深亲信我，我倍之不祥，虽死不易。”武涉去后，蒯通又劝韩信独立，以造成“叁分天下，鼎足而居”的形势。韩信不忍背汉，又拒绝了蒯通的建议。汉高祖五年（公元前202年）十二月，刘邦召集各路大军在垓下会合，与项羽决战。当时汉军的决战部署是：韩信率军首战项羽，兵分三路，韩信居中，孔将军居左，费将军在右，为第一梯队；汉王刘邦率主力为第二梯队；周勃、柴将军为第三梯队。
韩信军先与楚军交战，开始不利，韩信后撤；孔将军、费将军由左、右投入战斗，楚军受挫；韩信回军合击，大败楚军于垓下（安徽灵璧县东南沱河北岸）。项羽被迫入壁而守，汉军围之数重。韩信等组织汉军在楚营四周高唱楚歌，楚军军心更为涣散。项羽认为汉已尽得楚地，乘夜溃围南驰，在汉军追击下自刎于乌江（安徽和县东北）。历时四年的楚汉战争至此结束，刘邦完成了统一中国的大业。
项羽既死，刘邦为削弱韩信的势力，将其改封楚王。汉高祖六年（公元前201年）十月，刘邦以有人告韩信欲反为理由，听从陈平“伪游云梦，会诸侯于陈”之计。于十二月到陈（河南淮阳），俟韩信来谒时，命武士缚之以归，至洛阳，赦韩信，但剥夺其兵权，贬为淮阴侯。
汉高祖十年（公元前197年），赵相国陈豨反，自立为代王。刘邦自率军击陈豨，韩信因病未从。有人向高后上书诬告韩信与陈豨勾结，密谋发徒奴袭高后及太子，高后吕雉与相国萧何商议，诈说刘邦派人来，说陈已败死，召列侯群臣入贺。韩信入朝，吕后命武士缚韩信，斩之于长乐宫钟室，并夷三族。一代名将，惨遭冤杀。正如司马光所说：“汉之所以得天下者，大抵皆信之功。观其距蒯彻（蒯通）之说，迎高祖于陈，岂有反心哉！”