吕布又与袁术勾结，派其中郎将高顺和北地太守、雁门人张辽进攻刘备。曹操派将军夏侯惇救援刘备，被高顺等人打败。秋季，九月，高顺等攻破沛城，俘虏了刘备的妻儿，刘备只身逃走。曹操想亲自率军攻打吕布，将领们都说：“刘表、张绣在后面虎视眈眈，您远袭吕布，太危险了。”荀攸说：“刘表、张绣刚被打败，势必不敢轻举妄动。吕布骁勇凶猛，又倚仗袁术支持，如果他纵横于淮河、泗水之间，必有豪杰响应。现在趁他刚刚背叛朝廷（指复通袁术），众心不一，迅速进攻，必能打败他。”曹操说：“好！”大军出发时，泰山屯田军首领臧霸、孙观、吴敦、尹礼、昌豨等人都依附了吕布。曹操与刘备在梁国（今河南商丘）相遇，一同进军彭城（今江苏徐州）。陈宫对吕布说：“应该迎头痛击曹军，以逸待劳，没有不胜利的。”吕布说：“不如等他们来进攻，把他们逼进泗水淹死。”冬季，十月，曹操在彭城屠城。广陵太守陈登率领郡兵作为曹操的先锋，进抵下邳。吕布亲自率军屡次与曹操交战，都大败而归，退回城中固守，不敢出战。
曹操写信给吕布，为他分析祸福利害。吕布恐惧，想投降。陈宫说：“曹操远道而来，势必不能持久。将军如果率领步骑兵出城驻扎，我率领剩余部众闭守城内。如果曹军进攻将军，我就率军攻击他的背后；如果曹军攻城，将军就在外救援。不出十天半月，曹军粮食吃尽，我们再反击，必能击破他。”吕布同意，打算让陈宫和高顺守城，自己率骑兵切断曹军粮道。吕布的妻子对吕布说：“陈宫、高顺一向不和，将军一出城，他们二人必定不能同心守城。万一有闪失，将军还能在哪里立足呢？况且曹操待陈宫像亲骨肉，陈宫尚且舍弃他投奔我们。如今将军待陈宫的好处超不过曹操，却想把全城托付给他，抛下妻儿，孤军远出，如果一旦有变，我还能再做将军的妻子吗！”吕布于是打消了念头，暗中派部将许汜、王楷向袁术求救。袁术说：“吕布不把女儿送来，理当失败，为什么还来找我？”许汜、王楷说：“您（明上，指袁术称帝后臣下对他的称呼）今天不救吕布，是自取灭亡。吕布败亡，您也就败亡了。”袁术于是整顿军队为吕布造声势（虚张声势）。吕布担心袁术因为自己没送女儿而不发救兵，就用丝绵将女儿缠裹起来绑在马上，趁夜亲自送女儿出城。遭遇曹操守兵，双方混战，乱箭齐发，无法通过，只好退回。河内太守张杨一向与吕布交好，想救援吕布，但力量不足，只能出兵驻守野王县东市（今河南沁阳），遥作声援。十一月，张杨的部将杨丑杀死张杨响应曹操，另一部将眭固又杀死杨丑，率领部众北上投奔袁绍。张杨性情仁厚，没有威严，部下谋反被发觉，他对着他们流泪，总是原谅不予追究，因此遭此大难。
曹操挖掘壕沟包围下邳城，时间一长，士兵疲惫不堪，曹操想撤军。荀攸、郭嘉说：“吕布有勇无谋，现在屡战屡败，锐气已经衰竭。三军以统帅为主，统帅斗志衰退全军就无奋战之心。陈宫虽有智谋但决断迟缓。现在趁吕布锐气未复，陈宫计谋未定，加紧进攻，吕布必败。”于是引沂水、泗水灌城。过了一个多月，吕布更加困窘，登上城楼对曹军士兵说：“你们不要逼我了，我自会向明公（曹操）投降。”陈宫说：“逆贼曹操，算什么明公！今天投降他，就像鸡蛋碰石头，还能保全吗！”
吕布的部将侯成丢失了他的名马，不久又找了回来，将领们凑份子送礼祝贺侯成。侯成分出酒肉先献给吕布。吕布发怒说：“我下令禁酒，你们却酿酒，是不是想借酒共同谋害我？”侯成又气又怕。十二月，癸酉（二十四日），侯成与将领宋宪、魏续等人一起逮捕了陈宫、高顺，率领部众投降曹操。吕布与部下登上白门楼（下邳南城门楼）。曹军围攻很急，吕布命令左右砍下他的头去向曹操请降，左右不忍心，于是吕布下楼投降。吕布见到曹操说：“从今以后，天下就平定了。”曹操问：“为什么这样说？”吕布说：“您所忧虑的不过是我吕布，如今我已臣服了。如果让我率领骑兵，您率领步兵，天下还有谁能抵挡呢！”吕布回头对刘备说：“玄德，你是座上客，我是阶下囚，绳子捆得我太紧了，你就不能为我说句话吗？”曹操笑着说：“捆老虎不能不紧啊。”于是下令给吕布松绑。刘备急忙说：“不行！明公您没看见吕布是怎样对待丁原（字建阳）和董卓（董太师）的吗！”曹操点头同意。吕布瞪着刘备说：“大耳贼（刘备耳大），最不可信！”曹操问陈宫：“公台（陈宫字），你平生自认为智谋超群，现在怎么样？”陈宫指着吕布说：“此人不听我的话