第二天，吕布再次前来挑战。曹操把自己的一半士兵埋伏在堤后，另一半的士兵暴露在堤外布下阵势。吕布的军队逼近时，曹操才命轻装部队挑战，等到两军厮杀在一起以后，伏兵才登上大堤杀出，步兵与骑兵一齐冲锋，大破吕布的军队，直追到吕布的营寨才返回。吕布当夜撤退。曹操将兖州各城全部收复，吕布东逃投奔刘备。张邈到袁术那里求救，留下张超带着家眷部属驻守雍丘。曹操包围张超，围了几个月，杀了张超和张氏三族。张邈未到寿春，就被他的士卒杀害。
徐州风云
兴平二年（195年），吕布见到刘备后，对其非常尊敬，对刘备说：“我和阁下都是北疆边境的人。我当时见关东军起兵，想要诛杀董卓。但我杀了董卓东出，关东诸将却没有一个接纳我，都想要杀了我。”并请刘备坐在帐中的床上，令妻妾向刘备行礼，酌酒饮食，称刘备为贤弟。刘备见吕布语言无常，表面以为然之，但心里却不开心。
同年七月，因李傕、郭汜的火拼，汉献帝从长安东归，途径河东，下诏书令吕布迎驾。由于吕布的军队没有储备足够的粮食，无法勤王，于是吕布派遣使者上书谢罪。朝廷任命吕布为平东将军，封平陶侯。
建安元年（196年），袁术率军攻打徐州，与刘备相持于盱眙、淮阴。相持一个月，双方互有胜败。袁术写信给吕布，许诺送上二十万斛大米，诱使其袭击下邳，于是吕布水陆东下，军队抵达下邳西四十里时，刘备的中郎将丹杨人许耽派司马章诳前来迎接吕布，并向吕布透露了张飞和曹豹相争，下邳城内大乱，丹阳兵都在西白门城内等待吕布的到来，于是吕布便大举进军，早晨到达城下。天亮后，丹阳兵打开城门，吕布坐在城门上，指挥军队大破张飞，俘虏刘备的妻妾儿女及其部曲的家眷。此时，刘备为袁术所败逃往海西，饥饿疲惫，向吕布请求投降。吕布又恼火袁术不再运粮来，就准备了车马迎接刘备，让刘备担任豫州刺史，派他驻守小沛。吕布自称为徐州牧。
建安元年（196年）六月夜半时，吕布部将河内人郝萌在袁术的怂恿下发动叛乱，率兵部队攻打吕布治所下邳，城池防守坚固无法攻入，吕布不知道造反的是谁，带领家眷逃往高顺营寨，高顺问道：“将军有所隐不？”吕布回答：“这是河内人的声音。”高顺便猜到造反的是郝萌，于是率部到下邳平叛，弓弩齐发射杀郝萌军，天亮还营。（《册府元龟》则记载吕布与高顺一同前往平叛。郝萌的部将曹性反正，与郝萌对战，郝萌刺伤曹性，曹性斩断郝萌一臂，高顺乘势斩下郝萌的首级，用床担着受伤的曹性前往见吕布。吕布问曹性此事起源，曹性回答：“郝萌受到袁术的鼓动而造反。”吕布又问：“同谋的都有谁？”曹性回答说陈宫同谋，当时陈宫坐在吕布旁边，脸发红，旁人都察觉到了。吕布因为陈宫是大将，并不追究。曹性又说：“郝萌造反时曾问我可行吗？我说吕大将军神勇不可对抗，没想到郝萌狂惑不止。吕布对曹性说：“你真是个健儿。”让其好好养伤，等曹性伤愈后，让他统领郝萌的余部。
建安元年（196年）十月，袁术派大将纪灵带领步骑共三万多人马征讨刘备，刘备向吕布求援。吕布手下将领说：“将军您一直想除掉刘备，如今可借袁术的手除掉他。”吕布说：“并非如此，袁术如果占据了小沛，就会联合北面泰山一带的部队，我们就会被袁术所包围，我不能不去救刘备啊。”于是领步兵千人、骑兵二百，飞速赶往小沛。纪灵等人听说吕布前来援救刘备，只好收兵，不敢轻举妄动。吕布在离小沛西南一里的地方扎下营寨，派卫士去请纪灵等将领，纪灵等人也请吕布一起饮酒。吕布对纪灵等人说：“玄德，是我吕布的贤弟。如今他被诸位所围，我特意赶来救他。我吕布生性不爱看别人互相争斗，只喜欢替别人解除纷争。”吕布命门候在营门中竖起一支戟，说：“诸位看我射戟上的小支，如一发射中，诸君当立即停止进攻，离开这里，如射不中，那你们就留下与刘备决一死战。”他引弓向戟射出一箭，正好中了小支。诸将大为震惊，夸赞说：“将军您真是有天神般的威力呀！”第二天，吕布又与诸将欢会宴饮，然后各自回兵。
建安二年（197年）夏五月。袁术想联合吕布，让他为自己所用，于是向吕布提出让他的儿子娶吕布之女为妻，吕布同意了。袁术派韩胤为使节，向吕布正式转达他将更换年号、登基称帝的事情，同时请求接吕布的女儿与自己的儿子去完婚。沛相陈珪担心袁术、吕布成了亲家，徐州、扬州联为一体，将会危害国家，于是前往游说吕布：“曹公奉迎天子，辅佐朝政，征讨八方，威震四海，而将军您应与他合作，以取得天下安宁。如果您与袁术成了亲家，将会担上不义之人的罪名，那样形势就对您不利了。”吕布心里也怨恨当初袁术不接纳自己，虽说女儿此时已经随韩胤走了，他还是把她追了回来，拒绝了这门亲事，并将使者韩胤戴上枷锁、镣铐，送往许都街市上斩首示众。陈珪想派其子陈登到许都，说明吕布愿意与曹操合作，吕布不同意。正巧曹操的使者这时来到，传汉献帝的旨意，任命吕布为左将军。吕布大喜，于是让陈登启程，还命他带着书信，向汉献帝谢恩。
陈登拜谒曹操，述说了吕布有勇无谋、反复无常的缺点，希望曹操早日除掉他。曹操说：“吕布是个具有狼子野心的人，实在不能让他久留世上，你当然是最熟悉内情的。”当即把陈珪的年俸禄提到二千石，任命陈登为广陵太守。临别时，曹操拉着陈登的手说：“东边的事，便全托付给你了。”命令陈登私下分化吕布的队伍，为自己做内应。
当初，吕布想通过陈登求得徐州刺史之职。等到陈登回来后，吕布见自己的愿望没能实现，大怒，拔出戟来砍着桌子说：“你父亲劝我与曹公合作，我才拒绝了袁术的婚约；而现在我一无所获，你们父子反倒地位显赫，加官晋爵，我被你们出卖了！你倒说说看，你在曹公面前替我说了些什么？”陈登面不改色，从容地答道：“我见曹公时说：‘对待将军您，要像对待猛虎，应当让他吃饱，如果不饱，他会吃人的。’曹公说：‘并不像你说的那样，对吕布更像是养鹰，饿时可以利用，而当他吃饱了，却会自顾飞去。’我们就是这样谈论您的。”吕布的气才平息下来。
袁术听说吕布回绝了婚事，还杀了自己的使者，便派手下大将张勋、桥蕤等人同韩暹、杨奉合兵，率几万步兵骑兵，分七路进攻吕布。当时吕布只有三千兵力，四百匹马，担心抵挡不住，对陈珪说：“如今招来袁术的部队，是由于你造成的，你看该怎么办？”陈珪说：“韩暹、杨奉与袁术，不过是仓促聚起来的部队而已。原先就没有确定计策，不可能相互维持。我儿子陈登算定他们好比排着队的鸡，其局面不可能一同栖息，很快就可使他们离散。”吕布采纳陈珪的计策，写信给韩暹、杨奉说：“二位将军有救驾之功，而我亲手杀掉董卓，一道建立功名，将会留名青史。现在袁术反叛，应当一同讨伐他。你们为什么与反贼来这儿攻打我呢？可趁着现在联手打败袁术，为国家除害，为天下建立功业，这个机会不可失去。”又答应打败袁术军队之后，将军中钱粮全部给他们。韩暹、杨奉大为高兴，就一同在下邳攻打张勋等人，活捉了桥蕤，其余袁军人马溃散逃走，许多人被杀死杀伤，掉在水中淹死，几乎全军覆没。吕布率军追击袁术至江淮，在岸北大笑之而还。
当时泰山臧霸等攻克莒城，答应给吕布财物钱币用来结交吕布，但没来得及送去，吕布就亲自前往。高顺劝他不要去，说：“将军亲自斩杀董卓，威震戎狄，声名远扬，远近都害怕您，要什么东西不能得到，反而亲自去要财货？万一得不到，岂不有损威名？”吕布不听，率兵抵达莒城，臧霸畏惧吕布以武力劫掠凌虐，坚守莒城，结果吕布无法攻克，引军还下邳，尔后臧霸与吕布和解。高顺为人清白，仪表威严，很少说话，统率部众整齐，每次作战必定获胜。吕布天生随便作出决定或改变主张，做事情变化无常。高顺常常规劝说：“将军做事情，不肯慎重考虑，时常出现失误，说话做事总是有差错。失误的事情难道可以一再发生吗？”吕布了解高顺的忠诚但终究不采纳。刘备在小沛，招纳旧部，重新纠集了万人，吕布厌恶他，亲自出兵攻打刘备，刘备大败，前往许都依附曹操。曹操厚待刘备，封他为豫州牧，并送予军粮和部队，让他到沛城收拢旧部。
败亡下邳
建安三年（198年），吕布再次反叛朝廷与袁术结盟。吕布曾派人带金子欲到河内郡买马，被刘备军抄掠。吕布于是派中郎将高顺、北地太守张辽攻打沛城，击败刘备。曹操派夏侯惇援救刘备，也被高顺等人打败，九月，高顺等人攻破沛城，俘虏了刘备的妻儿，刘备败投曹操。
曹操于是亲自率兵攻打吕布，大军抵达下邳城下。曹操送了一封信给吕布，向他陈述祸福。吕布想投降，但陈宫等人由于自己对曹操负罪，极力反对，而且对吕布说：“曹公从远道而来，其局势不能持久，将军如果用步兵和骑兵驻守城外，我率领其余人马关了城门把守。曹操如果向将军进攻，我带领部队从后面进攻曹军；要是曹操只是攻城，将军就从外面救援。用不了一个月，曹军粮食全部用尽，发起进攻就可以打败曹操。”吕布同意他的看法。吕布的妻子说：“从前曹氏对待陈公台像对待婴儿一样无微不至，陈宫仍然丢下曹操投靠我们。现在将军对待公台的好处并未超过曹氏，却打算丢下全城和妻子儿女孤军远出吗？一旦发生变故，我难道还能成为将军的妻子吗？”于是吕布作罢，但暗中派人向袁术求救，又亲自率领一千多骑兵出城，打败后退回城内，守住城不敢出去。袁术也不能援救。吕布虽骁勇刚猛，但少谋而心胸狭隘多猜忌，不用陈宫建议，诸将又各自猜疑，所以每战多败。
曹操围攻三个月，决水围城，吕布军中上下离心。吕布部将侯成丢失了名马，不久又再次找到了，诸将合礼来祝贺侯成。侯成分酒肉款待大家，先入献给吕布。吕布怒曰：”我吕布禁酒而卿等酝酿，为欲因酒共谋我吕布吗？“侯成又愤怒又恐惧，于是，在十二月癸酉（199年2月7日），侯成与宋宪、魏续反叛，缚了陈宫投降，吕布在白门楼见曹军攻急，大势已去，于是令左右将他的首级交给曹操，左右不忍，[33]便下城投降。
吕布被捆到曹操面前，对曹操说：“我对手下部将可是够厚道了，是他们临时一起背叛我罢了。“曹操说：你背着你的妻子，与你几个部下的妻子私通，怎么能称为厚道呢？”吕布沉默不语[35]。吕布曾要求松绑，曹操笑说：“捆绑老虎不得不紧。”吕布又说：“曹公得到我，由我率领骑兵，曹公率领步兵，可以统一天下了。”曹操颇为心动，但刘备在一旁说：“明公您看见吕布是如何侍奉丁建阳和董太师的吗！”吕布死前说：“大耳儿刘备最不能相信！”最终，吕布被缢杀，然后枭首。
吕布手下的陈宫、高顺拒降，也被处死。曹操下令将吕布、陈宫、高顺的首级送往许都彰功，然后下葬。[36]曹操召见陈宫之母，并终身奉养陈宫之母，又给陈宫之女安排出嫁，抚视其家，对待陈宫的家人比当初更加厚重。前尚书令陈纪、陈纪的儿子陈群也在吕布军中，曹操皆礼而用之。吕布手下的张辽时任鲁国的国相，张辽率领鲁国军众投降，曹操任命张辽为中郎将。吕布手下的臧霸是泰山贼，选择了亡匿，后来，曹操派人找到臧霸，又让臧霸招吴敦、尹礼、孙观等，他们皆诣曹操而降。至此，昔日的吕布集团，化作历史的尘埃。