在刘邦与项羽两军对垒的严峻关头，韩信握有可与刘邦、项羽三足鼎立的实力。所以，项羽派武涉游说韩信反汉，与楚连和，三分天下。韩信不为所动，他在拒绝武涉时，说出了肺腑之言：“想当年，我投奔项王帐下时，官不过郎中，位不过执戟（守卫）。项王对我言不听，计不用，因此我才弃楚而投奔汉王刘邦。汉王对我十分器重，授我上将军印，交给我数万兵将，把自己的衣服脱下来给我，把自己的食物给我吃，对我言听计用，我才有如今的成就。他对我如此信任，如果我背叛他会招来报应的。所以，你也别劝了，就算我死了也不会背叛汉王！”
当时齐国有一个著名的辩士蒯通，也来游说韩信。他以无可辩驳的事实分析利害关系，两次奉劝韩信反叛，并向他指出继续听命于刘邦的危险性，“韩信犹豫不忍背汉，又自以为功多，汉终不夺我齐，遂谢蒯通”。意思是说韩信有些心动，但仍然不忍心背叛刘邦，又认为自己劳苦功高，刘邦不可能对他怎么样，所以最终还是拒绝了蒯通的劝说。
韩信被刘邦重用四年后，也就是前202年末，韩信率各路汉军约四十万大军，在垓下(安徽灵壁东南)将项羽的十万兵马团团包围。入夜，韩信令汉军四面唱起楚歌，终使楚军丧失斗志，被汉军一举聚歼灭。项羽仅带二十八人冲出重围，逃至乌江，又被韩信的部队追击，项羽吟颂了著名的《垓下歌》后，挥剑自刎，楚汉战争以刘邦的胜利而告结束。
韩信为汉王朝的建立所作的贡献是决定性的，司马光就认为：“汉之所以得天下者，大抵皆韩信之功也。”然而，楚汉战争结束后，韩信的不幸也来临了。垓下之战结束后，刘邦还至定陶，只带了几个随从，在韩信毫无防备的情况下，冲进他的军营，把韩信的官印和兵符全都收缴。韩信一下就成了光杆司令。
从这件事可以看出，刘邦对帮助他得到天下的功臣，猜忌心很重，韩信功高至伟，尤其被猜忌。
被夺印后的第二年，刘邦大封功臣，把韩信封为楚王，理由是，那里是你的家乡，你对当地情况比较熟悉，但并没有给他任何兵。此时，韩信成了没有牙齿的老虎，只能听从刘邦的摆布。
韩信在楚王位上只待了四个月，朝廷就发生了一件事。有一天，刘邦急急召见群臣，说：“有人告发楚王韩信要谋反，怎么办？”
这个告密者到底是谁，《史记》中没有说，只说“人有上书告楚王信反”。当时韩信已经是个光杆司令，假如是刘邦想收拾韩信，直接动手即可，没有必要采用欺诈的手法。所以，可以断定，这个告密者是存在的，而且摸透了刘邦的心理。韩信与刘邦并非心心相印，早在楚汉战争期间，刘邦被项羽围困固陵，急切希望韩信来解救。但韩信却趁火打劫，向刘邦讨要自己刚攻占下来的齐地，而且要封他为齐王。起初刘邦不肯，但因为保命要紧，再加上手下人的劝说，最终咬着牙让韩信做了齐王，但是心里一定记着这个仇。所以，即使韩信没有造反之意，由于偏见，刘邦也会相信韩信要造反。大臣们都认为告密属实，所以异口同声地骂道：“亟发兵，坑竖子耳！”翻译过来就是：“赶快派兵攻打，活埋了那个王八蛋！”但是考虑到韩信是个打仗的天才，刘邦的臣子中没有与之对抗的人物，于是刘邦最终采取了陈平的调虎离山之计：刘邦假装巡视云梦（今湖北江陵一带），把韩信诓去，然后只用一个壮士就能生擒他。
韩信收到消息后，意识到刘邦来者不善。他左思右想，自己到底哪里出了问题？最后想到了自己的老乡，曾经追随项羽的大将钟离昧身上。
当年项羽自杀，钟离昧并没有陪项羽共赴黄泉，而是逃到楚地，投奔好朋友韩信。在此期间，刘邦曾通缉过钟离昧，但一直毫无线索。韩信认为，大概是有人告密，捅出了此事。韩信有点后悔当时收留钟离昧了。这时有人建议韩信杀了钟离眛去谒见高祖，高祖必定高兴，也就不用担心祸患了。韩信思之再三，当面与钟离眛商议此事，钟离眛说：“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。”说完钟离昧自杀而亡。据说钟离昧自杀前，说韩信：“你真不是一个仁厚之人！”这件事说明韩信并不是一个好朋友，但也说明，他在当时没有背叛刘邦的念头。
不过，韩信想错了。当他提着钟离昧的首级见到刘邦时，还没来得及解释，就被刘邦命武士绑了起来，放在随从皇帝后面的副车上，启程回临时国都洛阳。韩信被绑后，长叹道：“果然像人们说的那样，‘狡兔死，良狗烹；高鸟尽，良弓藏；敌国破，谋臣亡’。天下已定，我当然应该被烹了。”刘邦不想让人当作是这样的人，他争辩道：“你还不知道我为什么要抓你。是因为有人告密，说你要谋反。”韩信听了，也不多辩，任其缚绑。
回到洛阳，刘邦思来想去，认为韩信谋反并无实据，再说韩信就算有谋反的念头，但毕竟功大于过，于是只把他贬为淮阴侯，让他住在长安，软禁在自己身边。
韩信无故被贬，自然牢骚满腹，常常称病不朝。他自视甚高，认为和绛侯周勃、颖阳侯灌婴等处在同等地位是羞耻的事。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，真是臣下的荣耀。”韩信出门后，怅然叹道：“我这辈子居然同樊哙等同列！”刘邦当然明白韩信这是心中不服，但也没有采取措施，对他的软对抗睁一只眼闭一只眼。
这种情况没有持续多久，又有告密者告发了韩信。这一次，告密者留下了姓名，这个人叫栾说。
在司马迁《史记·淮阴侯列传》中记载了韩信“谋反”的故事：阳夏侯陈豨被封为巨鹿郡郡守，前来向韩信辞行。韩信支开左右，与陈豨在庭院里散步。他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。”陈豨也是西汉的开国功臣，他表示“唯将军令之”。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。你去上任后，我为你在京城做内应，就可图谋天下了。”陈豨了解韩信的才能，表示一切听从韩信的指示。汉十年（前197年），陈豨举兵谋反，自立为王。刘邦亲率大军前去征讨，韩信称病，没有跟随出征。
栾说的哥哥是韩信的舍人，也就是家臣。很可能是在处理一些事情上不符合韩信的心意，韩信就把此人囚禁起来，同时还声称要严厉制裁他。就在栾说与哥哥见面的时候，这位家臣把韩信要谋反的消息告诉了栾说，栾说毫不迟疑，立即上书吕后，告发韩信与陈豨密谋造反一事。他说，韩信还与家臣谋划：在夜里假传诏旨，赦放官府中的囚徒和官奴，然后率领他们去袭击吕后和太子。
不久，陈豨果然自称代王，联合韩王信、燕王绾举赵代之兵反叛，刘邦亲率大军北上征讨，吕后及萧何守卫国都长安。吕后和萧何秘密商量后，认定韩信肯定是和陈豨商量过谋反的事情。
听了吕后的话，萧何也觉事态严重。经过密谋，两人决定：由萧何去见韩信，诈说叛军已经被刘邦平定，陈豨已死，诸侯与群臣皆入朝祝贺，也请韩信入朝致贺。韩信相信了萧何，跟着萧何到了长乐宫。结果可想而知，韩信进宫见不到皇帝，只见到了一大批武士。吕后可没有刘邦那么仁慈，连问都不问，就将他杀了。随后，吕后又下令灭了韩信的父、母、妻三族。
韩信被杀后，刘邦回到洛阳，听了这个消息后，又喜又叹。至于韩信是否真的要谋反，刘邦没有问。于是，“韩信谋反被杀”就成了历史上的重大谜案之一。
死于谋杀？
韩信临死前，并没有亲口承认谋反之事，根据《史记》的记载，韩信似乎的确与陈豨探讨过谋反事宜。如果事实确实如此，那么，他在齐王任上时，具备与刘邦、项羽三足鼎立的实力时不反，却在无兵无卒的情况下造反，实在是玩火自焚。
也有一些学者认为韩信之“谋反”是被诬陷，而司马迁则是用了曲笔，明肯暗否。韩信临刑前说：“吾悔不用蒯通之计，乃为儿女子所诈，岂非天哉！”大祸临头之际，韩信才后悔未用蒯通反汉之计，这足以说明：韩信终其一生，始终未动谋反之念。
事实上，分析《史记》等史籍对韩信“谋反”事实的相关记载，我们也可以看出有许多矛盾之处，令人质疑。
其一，韩信在刘邦胜负未卜的时候，拒绝蒯通游说他另起炉灶的劝诱，等到了刘邦功成名就之时却心生异志，这对于一个深谙兵法的将帅来说太过于违背常理。
其二，韩信两次被刘邦袭夺兵权，早已从中察觉到刘邦对他的猜忌与畏惧。但是，他在刘邦被项羽兵困固陵时不反，到楚地为王时不反，迎刘邦于陈地时不反，为何偏在无权无兵、蛰居长安之时谋反呢？一代名将怎么可能如此没有谋略？
其三，以韩信的智慧，他怎么可能在受到监视的情况下，还与陈豨“辟左右与之步于庭”密商谋反之策？这不是欲盖弥彰吗？再说，韩信与陈豨商定谋反之时无第三者在场，外人如何知道谈话内容？司马迁的记录何以那么详细？
其四，陈豨向来是刘邦的亲信，与韩信关系一般，韩信怎么会愚蠢到贸然向皇帝的亲信吐露心曲，而且是谋反这种关系身家性命的大事？再说，陈豨到巨鹿赴任后数年，与韩信一直不通音信，这样的同谋也太奇怪了吧。
其五，凡谋反者，矛头一般指向最高当权者，即皇帝。而韩信谋反的目标竟是吕后和太子，不合常理。况且刘邦当时统帅大军在外，韩信即使得手，也名不正言不顺，且并未消灭刘邦的有生力量，这样的谋反毫无意义，韩信的见识怎会低下到如此地步？
其六，韩信向来熟谙兵法，怎么可能将未经训练的囚徒和自己的家人作为造反的主要力量。且不说这些人是否能攻占戒备森严、层层设防的皇宫，靠伪造刘邦的诏旨赦免的囚徒就一定会听韩信的指挥，跟着他谋反吗？这些问题韩信不可能没想过。
其七，韩信“谋反”仅是由其舍人之弟告发，舍人弟告发的最初动机，是因为韩信要杀他的哥哥，怎见得舍人之弟不是诬告？而且舍人之弟又怎能知道如此重大的机密？韩信难道会如此粗心大意？考虑到吕后杀梁王彭越时，就是令鼓越的舍人诬告彭越“谋反”，那么，韩信舍人之弟告发韩信“谋反”是否也是吕后所指使，实在值得怀疑。
其八，如果韩信确有谋反意图，当萧何骗韩信入宫时，韩信怎会不做任何防备，而是坦然涉险，轻易进宫？韩信死前，为什么只感叹自己平定齐地之时未听蒯通之言，而没有悔恨自己谋划不周？
其九，韩信“谋反”虚实尚未可知，吕后就诱而杀之。对于朝中第一功臣被杀，刘邦为何不责吕后，甚至不详加调查。是否说明刘、吕设谋于前？
综观历史，历朝历代的开国功臣大都很少得到善终，这是历史规律。韩信虽然没有造反的实证，却有造反的实力，这不能不让刘邦有所顾忌。况且，韩信当初要挟刘邦的事，总不能让刘邦痛快。再说，汉朝初年，刘邦辛苦奔波，全是为了各地造反的诸侯王，他不能不对韩信心生惧意。所以，韩信之死是必然的，只是如何死法而已。韩信如果真的要造反，那么是告密者毁了他；如果他没有想过造反，那么，是刘邦利用告密者毁了他。当时，还有什么能比“谋反”之罪更能达到杀鸡儆猴，震慑其他异姓王的目的？
韩信被杀之后，其他几个在楚汉战争中和韩信同样起过重大作用的异姓王，都被以种种借口所杀，只有一个长沙王吴芮早死，幸得善终。又因他的势力弱小，封国处在汉与南越的中间地带，可起缓冲作用，因此其后人幸免于杀戮，封国得以保存。直到五代以后，因绝嗣而亡。
刘邦在剪除韩信、彭越等异姓王后，曾经与诸大臣杀白马盟誓：“非刘氏而王，天下共击之。”可见，剪除异姓王是刘邦的既定国策，这才是韩信被杀的真正原因。
