公孙瓒举兵攻击冀州，屯兵广宗。袁绍非常惊恐，把渤海郡太守印交给了公孙瓒堂弟公孙范，派他到郡里，打算以此与公孙瓒结援。公孙范于是背叛袁绍，以渤海兵力协助公孙瓒；公孙瓒自破青、徐黄巾军后，兵势日益强盛，进驻界桥（故址在今河北威县境内）。任命严纲为冀州刺史，田楷为青州刺史，单经为兖州（今山东金乡县西北）刺史，并设置郡守、县令，冀州长吏皆望风响应。
初平二年（191年），袁绍屯军广川县（今河北枣强县东北），与公孙瓒战于界桥南二十里处。公孙瓒以两万步兵，排列成方阵，左、右两翼各自配备骑兵五千多人。袁绍命其将麴义领精兵八百在前，布强弩千张于两翼。公孙瓒轻视袁绍兵少，纵骑兵出战。麴义命士兵伏于楯下不动，等公孙瓒军到十步前，一时同发，公孙瓒大败。袁绍军阵斩严纲。麴义追公孙瓒到界桥，公孙瓒率兵还击，再次被打败。（《后汉书·袁绍传》记载此战在初平二年；《后汉书·献帝纪》则记载在初平三年。）
袁绍派部将崔巨业率兵攻打公孙瓒的故安县，不下，在引军南归时，在巨马水被公孙瓒大军追上，大败，七八千人阵亡。公孙瓒趁胜攻克郡县，到达平原，派自己所设的青州刺史田楷占据齐国。田楷与袁绍在青州交战长达两年，双方粮食耗尽，士卒疲困，于是交替抄掠百姓，野外连青草都没有了。
初平三年（192年），公孙瓒又派兵到龙凑挑战，结果又被袁绍击败，公孙瓒退回幽州，不再出兵。公孙瓒与公孙范退还蓟县（今北京大兴区），在县城东南另筑小城自守，与刘虞临近，渐渐结下仇恨。
当初，公孙瓒、袁绍皆与兖州刺史刘岱关系友好，袁绍让妻小居住在刘岱的居所，公孙瓒也派从事范方率骑兵帮助刘岱；公孙瓒击破袁绍时，曾派人去见刘岱，请他与袁绍断绝，并把袁绍的妻小送过来，还告诉范方：“如果刘岱不把袁绍家小送来，你就带着骑兵回来。等我平定袁绍，就对刘岱用兵。”刘岱听从程昱的建议，拒绝公孙瓒的要求，范方便带着骑兵回去，还未到达，公孙瓒已被袁绍击败。
初平四年（193年），太仆赵岐来到关东，劝说公孙瓒、袁绍罢兵，公孙瓒写信给袁绍说：“赵太仆以周公、召公之德，奉诏命前来宣示皇恩，劝双方和睦，我犹如拨云见日，欣喜若狂！过去贾复、寇恂二人相互危害，幸有世祖为二人排解纠纷，此后二人并驾齐驱，消除误会，当时人为此而赞美。我身处边郡鄙陋之地，幸得以与将军共处，此乃将军眷顾之恩，也是公孙瓒之愿。”袁绍于是引军南还。
当初，公孙瓒屡战屡败，依旧不停对袁绍发动战争，刘虞认为公孙瓒穷兵赎武，又担心他成功后无法控制，因此不准他出兵，还对他的禀假进行限制。公孙瓒闻此事却大怒，多次违反节度，继而变本加厉掠夺百姓，刘虞准备赏赐给外族的物品，多次被公孙瓒抢夺，刘虞无法制止，于是上报朝廷诉说公孙瓒掠夺百姓的罪行，公孙瓒也上表告发刘虞办事不利，两人相互指责，朝廷也无力处理。公孙瓒筑城后，刘虞几次邀请公孙瓒前来，公孙瓒都称病不去。刘虞于是密谋讨伐公孙瓒，将此事告诉东曹掾魏攸，魏攸说：“如今天下人把您当作希望，谋臣爪牙不能缺少。公孙瓒的文武才干都足堪使用，虽有小过，还是应该容忍。”刘虞听从了魏攸的建议；不久后魏攸去世，刘虞又打算出兵讨伐。
初平四年（193年）冬，刘虞率兵十万攻打公孙瓒，并把出言劝阻的程绪处死以明决心，下令：“不要伤害其他人，只要杀死伯圭一人。”刘虞的从事公孙纪与公孙瓒同姓，过去常受公孙瓒厚待，于是把这件事告诉给公孙瓒。当时，公孙瓒的部曲放散在外，公孙瓒仓卒欲从东城逃走，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，刘虞的军队全部去救火，公孙瓒军趁势杀入刘虞兵营，刘虞大败。刘虞与他的部下往北逃到居庸县（今北京延庆东），又打算召乌桓、鲜卑来救援自己。公孙瓒引兵围困居庸城，三天就攻破了城池，活捉刘虞及其妻子儿女回到蓟县，仍然让他领州文书。当时董卓已死，朝廷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，假节督幽、并、青、冀四州。公孙瓒趁机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。故常山相孙瑾、掾张逸、张瓒等忠义愤发，相继前来看望刘虞，大骂公孙瓒，结果都被杀害。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。公孙瓒又上表段训为幽州刺史。
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。公孙瓒对待幽州有才能的名门子弟，必将其打压在穷苦之地。有人问原因，公孙瓒说：“如今这些衣冠子弟、善士富贵了，他们都会认为是自己应得的，而不会记得别人的好处。”
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