初平四年，刘虞认为公孙瓒穷兵赎武和袁绍连年的作战是对百姓严重的迫害，故而想要节制公孙瓒的行为。然而公孙瓒闻此事却大怒，继而变本加厉的掠夺百姓，如此暴行更是加深了和刘虞之间的矛盾。
最终刘虞为了阻止公孙瓒的恶行，决定率兵十万攻打公孙瓒。当时，公孙瓒的部曲放散在外，仓卒欲从东城逃走，刘虞的士兵不习战，又下军令不准骚扰百姓，不许损害民居，导致久攻不下。公孙瓒于是招募精兵数百人，顺着风势放火，趁势杀入刘虞兵营，刘虞大败。刘虞与他的部下往北逃到居庸县（今bJ延庆东）。公孙瓒三天就攻破了居庸城，活捉刘虞及其妻子儿女回到蓟县。此时董卓已死，献帝派使者段训给刘虞增加封地，令其督统六州，升迁公孙瓒为前将军，封易侯。公孙瓒诬陷刘虞与袁绍谋取称帝，胁迫段训斩刘虞及其妻子儿女于蓟市。公孙瓒将刘虞的首级送到京师，被刘虞的旧部下尾敦在路上劫走并安葬。公孙瓒杀了刘虞之后，得到了整个幽州，日益骄矜，不恤百姓，记过忘善，睚眦必报。
兴平二年，刘虞的从事渔阳鲜于辅、齐周、骑督尉鲜于银等率幽州兵马想为刘虞报仇，因燕国（今bJ大兴）阎柔素有恩义，他们便推举阎柔为乌丸司马。阎柔招集鲜卑、乌丸等兵马，共得汉兵、胡兵数万人，与公孙瓒所置渔阳太守邹丹战于潞河（今朝白河）之北，大败公孙瓒军，斩杀邹丹。乌桓峭王也率其部落的人及鲜卑骑兵七千余骑，随鲜于辅迎接刘虞之子刘和与袁绍将麴义，合兵共十万攻打公孙瓒，大败公孙瓒于鲍丘，斩首二万余。于是，代郡、广阳、上谷、右北平各杀公孙瓒所置长官，与鲜于辅、刘和兵联合，公孙瓒屡战屡败，于是逃回易京（故址在今河北雄县西北）坚守，开置屯田。两军相持一年有余，麴义军粮尽，士卒饥困，余众数千人退走。公孙瓒乘势出击，击败麴义，尽得其车重。
公孙瓒又临易河挖十余重战壕，又在战壕内堆筑高达五六丈的土丘，丘上又筑有营垒。堑壕中央的土丘最高，达十余丈，公孙瓒自居其中，以铁为门，斥去左右，令男人七岁以上不得进入，只与妻妾住在里面，又囤积粮谷三百万斛。公孙瓒又让妇人习为大声，使声音能传出数百步，用来传达命令。公孙瓒又疏远宾客，致使身边没有一个亲信，谋臣猛将都渐渐疏远了。从此以后，很少出来打仗。
建安三年，袁绍传书给公孙瓒，想跟他释和，公孙瓒没有答复，反而增强守备。袁绍于是大兴兵攻打公孙瓒。先是公孙瓒一别将被围，公孙瓒不肯相救，说：“救一人，那以后众人都会只等救兵而不肯力战。现在我不去救他们，他之后被围困的将士就会自我勉励。”等到袁绍来攻时，公孙瓒的界桥别营自度不能自救，而公孙瓒又必不肯相救，众人或降或逃。袁绍直接攻到了城门前，公孙瓒派他的儿子公孙续向黑山（今河南浚县西北）黄巾军求救，又想亲自率兵冲出重围，占据西南山，仰仗黑山军，切断袁绍军的后路。长吏关靖劝谏他说：“现在您的将士都各怀叛离之心，已无力再战，他们之所以能固守是顾惜他们的故乡老少，而把将军您当成主心骨，将军如能持久坚守，袁绍自然会退兵，四方军队一定又可以会合了。若将军现在弃易京而走，军队会失去后镇，易京覆灭指日可待。将军失去根基，流落荒野，怎么成就事业呢？”公孙瓒于是决定不离开易京，等待其子搬来救兵，内外夹攻袁绍。
建安四年三月，黑山帅张燕与公孙续率兵十万，分三路相救公孙瓒。援兵还没到，公孙瓒秘密派人送信给公孙续，让他率五千骑兵于北隰之中，举火把为应，公孙瓒就从城内出战。袁绍劫得了这封信，将计就计，举起火把。公孙瓒以为救兵到了，率兵出击。袁绍设伏兵袭击公孙瓒，公孙瓒大败，又回到城内坚守。袁绍于是掘地道到城楼下，毁坏其望楼，渐渐到达中央的土丘。公孙瓒自料必败无疑，引火自焚。而公孙瓒的首级，则被袁绍送到了曹操所在的许都。