死守下邳
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周曰校插图版《三国志通俗演义》中的吕布死守下邳
建安三年（198年），吕布再次与袁术修好，并派高顺和张辽进攻刘备，曹操虽派夏侯惇援救但被击败，沛国最终于当年九月被攻破，刘备妻子被掳，单身逃走。曹操于是在此时正式东征吕布。刘备在梁国遇到曹操军，随其返回征讨吕布。曹操进逼彭城时，陈宫就劝吕布迎击，以逸待劳。但吕布却认为等曹军过泗水才进攻。十月，曹操屠彭城，广陵太守陈登率广陵驻兵作为曹操先驱，先到下邳，及后吕布亲自领兵对曹操作了多次进攻，但全部都大败而还，吕布于是退保下邳城，不敢出击。
曹操及后就写信给吕布，陈述祸福，这令吕布畏惧，打算投降。但此时陈宫认为曹操远征，不能打持久战，劝吕布率步骑屯于城外，自己则和其他兵众据守城内，互相支援，几个月后曹操兵粮食尽后就可击败他。吕布亦同意，并打算让陈宫和高顺守城，但吕布妻子此时却称陈宫和高顺不和，吕布出城后，二人若不能同心合力就出了问题。又认为曹操昔日厚待陈宫，但仍叛迎吕布，而今吕布对陈宫不如曹操，却将城池委托给他，恐怕生变。吕布于是打消念头，不跟随陈宫的计谋。
吕布亦派属官许汜和王楷向袁术求救，袁术起初因吕布将女儿追还不嫁为由拒绝，但许汜二人则称吕布败后，袁术失去援助，亦会失败。袁术于是严兵声援吕布。吕布亦怕袁术因嫁女一事而不肯援救，打算亲自将女儿送出城，但与曹操军相遇，不能通过。
引水灌城
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曹操军围困下邳一段时间但仍未能攻破，士卒疲累，于是有撤退的意思。但荀攸和郭嘉认为吕布自开战以来已经多次战败，作战的锐气已下降。认为应趁吕布未回复和陈宫的谋略未定，引兵急攻，这就可以攻破下邳。曹操于是引沂水和泗水的河水灌城。灌城一个多月后，吕布十分狼狈，于是向曹操军要求解围并投降。但陈宫坚决反对。
内叛投降
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在这时候，吕布部将侯成请一人照顾他十五匹马，但那人却带着马逃走，打算归降刘备。侯成于是自己追还，马匹失而复得。众将于是合资送礼祝贺侯成，侯成亦准备酒和肉庆祝，并在吃以前先送给吕布。但吕布大怒：“我下令禁酒但你却造酒，你们想共饮共食勾结为同伙，一起密谋将我吕布杀了吧！”侯成是既忿恨又畏惧，于十二月就与宋宪和魏续等人捕捉陈宫和高顺，率领部众向曹操投降。[3]吕布见此，领麾下登上白门楼，见曹军围困逼切，因而命令身边部下取其首级送给曹操，但部下都不忍心，于是投降。
吕布被杀
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吕布投降后被缚见曹操，吕布见曹操后便游说曹操让他效命，他领骑兵而曹操领步兵，这样天下将定。曹操听后命人将缚绳解松一点。刘备劝说不可接纳吕布，并以吕布曾效力丁原和董卓，但最终二人都被吕布所杀的事说明吕布不可信。主簿王必也认为应该杀吕布。曹操亦同意。曹操又见陈宫，陈宫将母亲和妻儿都交托给曹操。陈宫和吕布及高顺随后都被缢杀，并传首许昌。
曹操接着接纳了吕布麾下的鲁相张辽领众归降，又收降原本与吕布有联系的臧霸、孙观、吴敦、尹礼和昌豨等当地势力，并将青、徐二州沿海数郡交给他们管理，稳定徐州。