这一年的九月，曹操亲自率领大军攻打吕布，在进军到梁国境内时遇到了战败的刘备等人，于是便一同进军至彭城。臧霸等人得知后，便率众归附了吕布。这时，陈宫向吕布建议说：“应当主动迎击，以逸待劳，无不克也！”吕布却说：“不如待其渡河之时，半而击之。”十月，彭城相侯谐率众反叛，曹操于是在彭城屠城。而后曹操继续进军，吕布便率军迎击。这时候，陈登率领广陵郡兵进抵下邳，从背后袭击吕布。吕布逆战不利，部下骁将成廉为曹军擒获，于是率众撤回下邳。
有资料说当时臧霸有带兵援助吕布，依我看不大可能。一则，臧霸等人所屯驻的莒县距离下邳较远，从路程上说不大能来得及；二则，莒县属青州地界，此时袁谭已几乎占据了青州全境，就差莒县那一块，因而他必然会趁曹操与吕布交战之际，率军收复莒县。如此，臧霸等人便等于是无法脱身的。当然，这也许就是他们为什么会归附吕布的主要原因吧。
另外，按照《三国志》的说法，张辽被吕布委任为鲁相，当时正率军屯驻在鲁县（今山东曲阜）。从地图上看，鲁县已经深入到兖州地界了，看样子应该是在牵制来自兖州方面的兵势。这说明张辽在吕布麾下的时候，吕布就已经让他独当一面了。
随后，曹操与陈登率领大军进抵下邳。这时，陈登的弟兄们全都在下邳城中，吕布便想以此来迫使陈登倒戈，然而陈登却无论如何都不肯屈从。随后，曹操写信给吕布，劝吕布投降。吕布有投降之意，却为陈宫等人劝止。
史书上说，吕布以挟质陈登的亲兄弟来胁迫陈登倒戈，我看这事不大可能。陈登明知道自己的弟兄们都在吕布的手里，却还要率兵前来助曹操夹击吕布，立场已经摆得很鲜明了，吕布又岂会多此一举？想来史书之所以要这样写，无非就是要为陈登不顾家人性命的行为，扭转一下形象，顺便从侧面美化一下曹操。
随即，吕布一面暗中派遣许汜、王楷去向袁术求救，一面又率领千余骑出城逆战，却又战败退还，于是便固守不出。许汜、王楷到了淮南，求见了袁术，袁术却说：“吕布不将女儿送来，失败是他自找的，还来找我做什么？”二人便说：“您如今不肯援救吕布，是等于自取灭亡，吕布一旦战败，您离灭亡也就不远了。”于是，袁术便整顿军队，声援吕布。吕布见袁术不肯发兵前来，便带着女儿趁乘夜前往袁术那里，却在途中遇到了曹军。曹军弓弩齐发，吕布无法通过，便又撤了回去。吕布回到城中，打算让陈宫、高顺守城，自己率领骑兵去截断曹军粮道。然而，吕布的妻子却出言将吕布劝止。
从资料里可以看出，袁术此刻还在为吕布先前绝婚的事情而生气，因而在此之前吕布并未跟袁术复通。这段资料最先出自《英雄记》，《资治通鉴》也有收录。我仔细看了下，发现很有可能是虚构出来的。前面已经说过了，吕布绝婚于袁术之后，二者便不再有丝毫瓜葛，又何来再向对方求救之理？何况袁术人在合肥，距下邳几百公里之遥，路途遥远不说，其自身都难保了，又如何能率军前来救援？话说，此时袁术的军队正在江、淮间依靠蛤蚌为食，几乎连生存都快成问题了，所以他根本就没有能力去援救吕布。再者，原文对曹操的称呼是「太祖」，而作者王粲去世的时候曹丕还没有称帝。所以，这段资料多半是后人附会添进去的，可信度不高。
吕布闭城固守，曹操久攻不下，士卒疲困，打算撤退。荀攸、郭嘉则劝曹操不要放弃，要继续进攻，一定不能给对方留下喘息的机会。而后，曹军开掘沟渠，引沂水、泗水灌城。一个月后，吕布全军更加窘迫，于是上下离心，其部将侯成、宋宪、魏续绑缚陈宫、高顺，率领部众开城投降。吕布及左右亲卫被困白门楼，曹军四面紧逼，吕布见大势已去，便让左右砍下自己的头颅去投降曹操，左右不忍，于是吕布下城投降。
关于吕布属下的骑将侯成叛变的原因，很多资料叙述的都不大一样，很显然这件事情有故意修饰的成份。其原因我想还是因为当时城中缺粮，而侯成等人却大吃大喝，对于这般违反军纪的事情，吕布当然会感到很生气，事后的处罚自然就在所难免。然而，侯成等人之所以会选择在这时倒戈，多半还是害怕等击退了曹操之后，吕布会重重的处罚他们，甚至于可能会将他们斩首示众，以正军纪。如果不是迫于某种原因，他们一定不会倒戈的。
话说，十一月份都已经入冬了，河里又岂会有多高的水位，就算决堤灌城，也顶多就是让战场变得泥泞些，根本就不可能会像夏季的洪涝灾害那样淹得厉害。这种情况下，也不过就是让吕布的骑兵无法出城野战罢了，既无法野战，那吕布也就只能暂时守城了。
至于最后战败之时，吕布之所以会选择投降，而没有突围离去，想来一是由于战场泥泞不利骑兵突围，二则是他的家小都被曹军俘虏了。且说郝萌叛变之时，吕布连逃跑都不忘带上自己的妻子，可见他是一个深受儒家思想熏陶的人。所谓，糟糠之妻不可弃也！至于后来曹操说「卿背妻，爱诸将妇」，这恐怕又是后人添加进去的污蔑之辞。在那种情形下，曹操哪会有闲功夫去扯这种无聊的话题。另外，临败之际，吕布会让左右亲卫砍下自己的头颅，如果不是虚构的，就是
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