初戰
198年(建安三年)，劉備因爲在小沛囤積了大量兵馬，使得呂布開始不安。於是呂布再次與袁術修好，並派高順和張遼進攻劉備，曹操雖派夏侯惇援救，但被高順和張遼擊敗。沛城最終於當年九月被攻破，劉備妻子被擄，單身逃走。
曹操打算親自去進擊呂布，諸將都說：“劉表、張繡在後，如果您率軍遠襲呂布，必然會發生危機。”荀攸說：“劉表、張繡新近受創，在此情勢下，不敢有所舉動。呂布爲人驍勇，又倚仗袁術的勢力，如果他縱橫淮河、泗水之間，必有其他豪傑起來響應。如今趁他剛剛背叛朝廷，衆心不定，大軍前往，可以將他擊破。”曹操說：“很好!”等到曹操大軍出動時，泰山軍首領臧霸、孫觀、吳敦、尹禮、呂等都歸附於呂布。曹操在樑地遇到劉備，一同進駐彭城。陳宮對呂布說：“應當迎擊他們，以逸待營。無往不勝!”呂布說：“不如等待他們自己前來，我把他們趕到泗水中淹死。”冬季，十月，曹操攻下彭城。廣陵郡太守陳登率領廣陵郡郡兵作爲曹操的先鋒，進抵下邳。呂布親自率軍，屢次與曹操交戰，全都大敗，只好退守城池，不敢出戰。
相持
曹操寫信給呂布，爲他陳述利害，呂布恐懼，打算投降。陳宮說：“曹操遠來，勢不能停留過久。將軍如果率領步、騎兵屯駐城外，由我率領剩下的軍隊在內守城，如果曹軍進攻將軍，我就領兵攻擊他們的後背;如果曹軍攻城，則將軍在外援救。不過一個月，曹軍糧食吃光，我們再行反擊，可以破敵。”呂布同意，打算留陳宮與高順守城，自己率騎兵截斷曹軍的糧道。
呂布的妻子對呂布說：“陳宮與高順一向不和，將軍一出城，陳宮與高順必然不能同心協力地守城。萬一出現什麼問題，將軍要在哪裏立腳!而且曹操對待陳宮猶如父母對待懷抱中的幼兒，陳宮還捨棄曹操來投靠我們;你待陳宮並未超過曹操，就把全城交給他，拋別妻兒家小，孤軍遠出。如果一亙有變，我難道能再做你的妻子嗎?”呂布就打消那個計劃，偷偷派遣部下官員許汜、王楷向袁術求救。袁術說：“呂布不把女兒給我送來，理應失敗，爲什麼又來找我?”許汜、王楷說：“您現在不救呂布，是自取敗亡。呂布一破，您也就要破了。”袁術於是整頓動員軍隊，聲援呂布。呂布擔心袁術因爲自己不送女兒而不發兵救援，就用絲綿將女兒身體裹住，綁到馬上，乘夜親自送女兒出城，與曹操守兵相遇。曹軍弓弩齊發，呂布不能通過，只得又退回城中。
河內太守張楊素來素與呂布友善，打算出兵相救，力不能支，於是出兵東市，遙爲之勢。十一月，張楊部將楊醜殺張楊呼應曹操，但旋即爲睦固所殺，睦固打算率領張楊的餘部向北與袁紹聯合。
曹操挖掘壕溝包圍下邳城。但很久未能攻克，兵士十分疲憊，他打算撤軍。荀攸、郭嘉說：“呂布有勇無謀，現在連戰連敗，銳氣已衰。三軍完全要看主將的情況，主將銳氣一衰，則三軍半志全消。陳宮雖有智謀，但機變不夠。現在應該乘呂布銳氣未復，陳宮智謀未定的時機，發動猛攻，可以消滅呂布。”於是，曹軍開鑿溝渠，引沂水、泗水來灌城。又過了一個月，呂布更加困窘，登上城頭對曹軍士兵說：“你們不要這樣逼迫我，我要嚮明公自首。”陳宮制止說：“曹操不過是個逆賊，怎麼配稱明公!我們現在投降，就好象用雞蛋去敲石頭，豈能保住性命!”
破城
此時，呂布部將侯成請一人照顧他十五匹馬，但那人卻帶着馬逃走，打算歸降劉備。侯成於是自己追還，馬匹失而復得。衆將於是合資送禮祝賀侯成，侯成亦準備酒和肉慶祝，並在吃以前先送給呂布。但呂布大怒：“我下令禁酒但你卻造酒，想以酒醉對我有所圖謀吧!”侯成事既忿恨又畏懼，於十二月就與宋憲和魏續等人生擒陳宮和高順，率領部衆向曹操投降。呂布見此，領麾下登上白門樓，見曹軍圍困逼切，因而命令身邊部下取其首級送給曹操，但部下都不忍心，呂布於是下城投降。
呂布投降後被縛見曹操，呂布見曹操後便自詡能率騎兵爲他效命，幫曹操平定天下。曹操聽後略有心動，命人將縛繩解鬆一點。但一旁的劉備立即勸阻，並以呂布曾效力丁原和董卓，但最終二人都被呂布所殺的事說明呂布不可信，曹操點頭贊同。曹操又向曾爲自己屬下的陳宮勸降，陳宮堅決不從，請求立即受刑，曹操忍不住落淚，從此悉心照顧陳宮的母親和妻兒。其後曹操將陳宮和呂布及高順都縊殺，並傳首許昌。
曹操收降了呂布屬下的張遼、陳登父子等人，又招降了原本依附呂布的臧霸、孫觀、吳敦、尹禮和昌豨等當地勢力，並將沿海數郡交給他們管理，穩定了徐州。
