（公元前201年），刘邦担心各地异姓王造反，又见韩王信很有军事才干，而韩国北近洛阳，南近宛县、东近淮阳等战略要地，便以防备匈奴为名，将韩王信的封地改为太原。韩王信无奈，只得就藩太原郡，守备汉朝北部边境。
随后匈奴多次入侵汉朝边境，侵扰太原郡。由于太原郡治所晋阳县距边境较远，导致韩王信难以对匈奴侵扰做出及时反应，便向刘邦请求，把王都迁到距边境较近的马邑，获得刘邦同意。韩王信便前往马邑，积极防备匈奴。
不久匈奴冒顿单于带领大军南下，很快就把马邑包围的水泄不通。韩王信无奈，只得一方面派人向刘邦求救，另一方面派人向冒顿求和。但刘邦怀疑韩王信想要投降匈奴，于是派使者前去责备。韩王信对此感到害怕与愤怒，于是一气之下背叛汉朝，献出马邑降了匈奴。
汉高祖七年（公元前200年），刘邦亲率大军征讨韩王信，在铜鞮大败叛军。韩王信损失惨重，只得逃往匈奴。然后冒顿就率大军南侵，一路打到晋阳城下。随后汉匈两军主力遭遇，匈奴军假意败退，一直将汉军引诱到白登山围困。最后刘邦采纳陈平之计，重金收买冒顿之妻阏氏，使得她劝冒顿围三阙一，导致刘邦得以冲出包围逃走。
四、兵败被杀
白登之围后，刘邦认识到汉朝实力有限，一时无法打败匈奴，于是与冒顿和亲，采取防御政策。韩王信则为了向冒顿证明自己存在的价值，于是屡次率兵南侵，骚扰汉朝边境。
韩王信报曰：“……夫种、蠡无一罪，身死亡；今仆有三罪于陛下，而欲求活于世，此伍子胥所以偾于吴也。今仆亡匿山谷闲，旦暮乞贷蛮夷，仆之思归，如痿人不忘起，盲者不忘视也，势不可耳。”（史记·韩信传）
汉高祖十年（公元前197年），韩王信派人游说赵相陈豨叛汉，然后刘邦就亲自北征，击溃了陈豨。随后韩王信就带领匈奴大军南下，进军参合支援陈豨。随后刘邦派柴武讨伐韩王信，他于是写信劝韩王信投降。但韩王信认为自己犯了大罪，刘邦不会饶恕自己，便拒绝投降。然后韩王信就与柴武大战，结果兵败被杀。