就在宋义离开楚营的第二天，钟离昧忽然派人向武信君送来了章邯的投降书，上面写道：
楚项大将军麾下：因为我军粮草已经用完，没有办法再继续打下去了，战马也都杀了充饥，全城军民叫苦不迭，我不想看到百姓被饿死，军士被杀掉，愿意率领全体将士投降楚国，也恳请您的恩准。秦国败军之将章邯致书再拜。
项梁看完信大喜过望，当即批准章邯投降，然后询问濮阳的情况。信使回答：“敌人的粮食早就吃完了，军民都在四处争挖野菜，战马也杀完了，城头上到处都是飞禽啄食的残景，章邯信中所言都是实情。”武信君大喜道：“你先回去告诉钟离将军，让他们做好准备，我随后率领大军前来接受章邯的投降。”信使走后，有人问武信君：“这是不是章邯耍的花招，他在故意欺骗我们？”武信君笑道：“章邯能耍什么花招？他们见救兵不到，不投降就得死，完全是身不由己啊，有什么可怀疑的？”正在说话的时候，忽然范增又派人送来了一份信，信上说：
秦国正在四处征调兵马救援章邯，章邯必定想着战胜楚军。我又夜观乾象，见太白星直犯定陶的上空，主星晦暗，客星倍亮，这预示着主帅凶多吉少，恐怕对大将军不利，因此忧心如焚，就派沛公的大将曹参赶往定陶，以防不测，军队很快就会到达。秦将章邯极会用兵，请大将军一定要小心谨慎。
项梁看完信，心想这不是范增拿天象来诅咒我吗？就很不高兴地说：“章邯约定投降，正应了‘主帅凶多吉少’之事，这说的不就是秦将章邯吗？军师却把主星和客星弄颠倒了，反而怀疑我有不测，真是多虑啦！况且敌人远在东郡，怎么能到达定陶？”就吩咐摆酒设宴，庆贺章邯的投降，一点儿没把范增的话放在心上。
酒喝到天黑，桓楚和于英商议道：“虽然章邯要投降，可范军师的话应该重视，我二人应该长个心眼才对。”就主动出去巡营，一直到了三更时分，都不敢懈怠。忽然有军士前来报告，说宛朐方向发现有一支秦军在活动。桓楚就问有多少人。军士说只看见一些火把，看不清楚人马。桓楚就对于英道：“我亲自前去察看，若是秦军，就杀退他们。”于英道：“章邯不是要约定投降吗，怎么会有兵马前来？这事十分蹊跷，应该先向大将军报告。”桓楚和于英就急忙来见项梁。可是这时项梁已经喝得大醉，根本无法禀报。二人就决定率领一支骑兵出去看个究竟。他们来到城西，果然发现是秦国的增援部队，就打马向前，奋力追杀。秦军丢盔弃甲，大败而逃。原来这支兵马正是章邯派来引诱楚军的鲁范军。二人一口气就追了二、三十里路，还得到了许多战利品。
定陶城外，楚军的大营里，灯火通明，军士们都进入了梦乡。到了四更天，突然一群怪兽出现在了楚军军营的外围，原来它们都是秦军四处收集的耕牛，头上蒙着各种怪兽的图案，双角上绑着锋利的刺刀，在黑夜中如同电光一般阴森恐怖。秦军又在牛尾巴上绑上油布，再点燃了。这些耕牛被火一烧，就哞哞哞地嚎叫着如同出洞的魔鬼，从楚军军营的外围向楚营狂奔而来，锐不可挡。后面紧跟着一队队秦国的精甲铁骑，他们呐喊着就冲进了楚军的军营。只瞬间的工夫，定陶东面旷野上的楚军军营里，万牛奔腾，就如同火山喷发，各种怪异的声音也连成了一片。这时秦国的骑兵军团在章平的率领下也一齐杀到。原来这次夜袭正是章邯沿用了前代名将田单用过的‘火牛阵’的战法。
楚军将士喝了大半夜的酒，才回到大营里睡下，一会儿若雷的鼾声此起彼伏。这时就被这突如其来地声音惊醒了，都惊慌失措地爬出大帐想看个究竟。这不看不知道，一看吓一跳：只见迎面而来的全都是披着铠甲的怪兽，它们或青面獠牙、或面目峥嵘，看上去非常地恐怖吓人，就如同神兵天降。楚军哪敢抵挡，撒腿崩屁地转身逃窜，个个惊得魂飞魄散。怪兽狂奔来到营中，就用带刀的长角抵触楚军。楚军个个人仰马翻，屁滚尿流，哭爹喊娘。有的楚军拼命地向前奔跑，却被怪兽赶上，依然将锋利的尖刀刺进了他们的后背，还有的被尖刀挑起来撂在半空里，受伤的军士杀猪般地嚎叫、哀号。秦军甲士紧随其后，他们个个披坚执锐，逢人就砍，遇头就剁，十多万楚军如同待宰的羔羊，都来不及穿上衣甲，拿起武器，就在恐惧和惊叫声中丧命了，他们或被怪兽的双角刺死、或被精壮的秦军砍翻，都死得凄惨哀哉。
随后，秦国的大队步卒就在无数火把的照耀下如同翻卷的黑色浪潮，直接从北面广阔的平原上席卷而来。秦军的统帅章邯也亲自杀到，长史司马欣紧跟其后。二人气势汹汹地杀到了北城门下，径直冲了进来；董翳从西门杀入；校尉侯健、周书平、张卿臣等从东门杀入，三路秦军如同洪水猛兽一般，从三个城门汹涌而入。顷刻之间，一座定陶城就被秦军冲得七零八落，楚军也都四散逃命。秦军进城后又将火把扔到民房里，城中又燃起了大火，烈焰冲天而起。武信君在府衙里昏睡着，被报告的各路将领惊醒后，大吃一惊，跳起身来，却因酒醉，差点儿栽倒，就醉醺醺地提剑出账，察看情况。
这时丁公、项它、郑布、丁疾、董绁等人都一齐来保护，一些军士也纷纷从四面八方飞报秦军入城的消息。武信君听说秦军已经进城了，就率领将士出了府衙。只见城中已是火光冲天，黑烟弥漫，四周的喊杀声也连成了一片。武信君看到眼前的场景，大惊失色，急忙下令将士们迎敌。可是城中的守军并不多，将士们还没有集中到一起，秦国的一员大将就迎面杀到了，只听他口中大叫：“秦国大将章邯在此！”武信君吃了一惊，急令左右应战。将士们就上前拦住章邯厮杀。武信君被众人保护着往西门奔去。秦将董翳和章平又正好从正面杀到。武信君挥剑相迎，却因为酒醉，无法战斗，只得掉转马头往东门突围。可是大家刚走了不远，秦将侯健、周书平、张卿臣等将领又截住了去路。武信君又往南门突围，谁知章邯率领的三路大军一齐杀到。就在此危急时刻，西北角上有两员大将呐喊着冲杀而来，所到之处，秦军纷纷倒地，正是楚国的步卒大将桓楚和于英二人。
原来二人前去追击秦军，秦军不战自退。二人猛然醒悟，担心是敌人引诱他们，就立即返回。当他们来到城下时，看见秦军已经攻破了楚营，整个定陶都仿佛沸腾了，又看见西城门下都是秦军。原来是武信君突围到此，却被秦军挡了进去，所以这里聚集的人马非常多。桓楚和于英立即冲进了地阵，奋力杀进城来，此时听说武信君去了南门，就杀向南门来接应。二人到了南门，正好遇见武信君被困在门洞下面，就奋不顾身地冲上前来保护武信君出城。章邯率领秦军将领一齐上前围住桓楚和于英。桓楚在前，于英在后，二人用尽全力杀开一条血路，保护着武信君出了城。这时所有的秦军又上前夹攻武信君。武信君正准备跃过护城河上的吊桥。章邯怕武信君逃走了，急忙放下兵器，张弓搭箭，用箭射击。可怜武信君此晚只穿着一件睡衣，并没有甲胄护身，身上就连中数箭，差点儿掉下马来。桓楚和于英急忙用身体挡在前方，用兵器打落了箭支，一齐保护武信君跃过护城河，向前方飞奔而去。
章邯见武信君走脱，就下了死命令，要将士们必须活捉。忽然有军士前来报告，说是季布和钟离昧从东郡杀了回来，人马正在过河。章邯大惊道：“二人被我骗了，心中一定愤怒，必定前来拼命。项梁是叛军的头目，虽然中箭，但未必会死，如果抓住项梁，楚寇将会惨败！”于是只顾追赶武信君。就在此时，又有一支兵马从正西面杀来，为首一将铜面长髯，黑袍金甲，右手高举开天刀，左手紧执马缰绳，口中大叫：“章邯何在？不要伤害了武信君！”原来正是曹参奉范增之命前来增援定陶。曹参赶到城下时，听见南城门下喊杀声不绝于耳，还看见了章邯的将旗，就奋力冲进阵地。一会儿就追上了章邯，把他的军队冲得七零八落。章邯一心要杀死项梁，本来将别人抛之脑后，可是听到后面有人追了上来，章邯就气得把牙齿咬得嘎嘣直响，只得回头来战曹参。三路秦将就一起围住曹参大战。武信君才得以脱身离去。
季布和钟离昧率领楚军过了济水河，径直杀进城中，不见武信君，又从城中杀到城南，来到楚军的大营，看见到处都是火，战场上已是混乱不堪，仍然寻不见武信君。二人又急又气，忽听南门郊外杀声动地，就率领军士向这边杀来。远远地看见秦军围着一个人厮杀，就杀进重围来救楚将，一看才知道秦军围困的正是沛公的大将曹参。钟离昧来到曹参的跟前，问他为什么来到这里。曹参道：“范老军师知道章邯要来偷袭，怕武信君有危险，就命我来接应。”季布和钟离昧听说武信君还活着，就放心了，一齐道：“先杀退敌人，再去寻找武信君！”大家就齐心协力和秦军混战起来。
大战持续到了天亮，章邯见整个战场上已经是堆尸如山，血流成河，就下令将士先进定陶城，占据有利的位置。曹参和钟离昧等将领也不敢恋战，就将人马聚集起来，向南去追赶武信君，忽然项伯率领一支军队赶到。项伯就问季布：“你们不是接连来向武信君报告，说章邯要投降吗？”这时所有的人才知道他们被章邯欺骗了。钟离昧说：“大水围城时，我们没有想到秦军会偷偷地出城。就在前一天晚上，有军探来报告，说秦军在城阳出没。我二人害怕章邯有阴谋，就连夜赶来了，不想他们已经夜袭了我们的大营啊！”大家只好合兵一处，来追赶武信君。
大家追上武信君后，见桓楚等人正在路边察看武信君的伤势。众人连忙下马问候武信君，只见他伤势严重，全身都是血。一会儿，丁公、郑布、丁疾、董绁等将领也都赶到，将士们就一齐呼救。过了老半天，武信君才苏醒过来。他强忍疼痛，抓住项伯和钟离昧二人的手说：“后悔没有听从范老军师的劝告，才有今天的惨败啊！我，我死难瞑目！死难瞑目啊！”说罢又昏了过去。项伯呼叫了老半天。项伯见武信君伤势沉重，又怕颠簸使病情加剧，只得下令暂时安营，又派人把住前方的路口。众人见事情不妙，赶紧派人四处寻找失散的军医。
军医找到后，就赶紧来救治武信君。到了中午，武信君又醒了过来。他含恨对将领们道：“我后悔没有听从范老军师的劝告，才有今日之败啊！范军师有安定天下的大才，请转告我侄儿项羽，让他拜范军师为‘亚父’，军师在就如同我在，你们都要好好辅助他，齐心协力，打败章邯，推翻无道的秦国！我，我死就瞑目了！”说罢又昏了过去。就在这天晚上黄昏，武信君终因伤势过重，竟然撒手而去，享年五十七岁。全体将士悲痛不已。