刘虞把要攻伐公孙瓒的想法告诉了东曹掾魏攸，后者劝说道：“现在幽州的安定都指望着使君，而谋臣爪牙又不可或缺。公孙瓒文武足备，虽有小恶，却应当容忍以全大局。”刘虞听了，再三思虑后，暂时放弃了与公孙瓒交战的想法。可是不久魏攸病故，而公孙瓒的所为也并无收敛，甚至还私自修了城池来防备刘虞。为了阻止公孙瓒的恶行，刘虞终于下定决心，纠合了十万大军准备向其发起进攻。临行前，刘虞告诫全军道：“不可多伤无辜，只杀公孙瓒一人即可。”
刘虞手下的从事公孙纪因为同姓曾被公孙瓒厚待，便趁夜跑到蓟县东南新筑的小城向其告发了刘虞的计划。此时公孙瓒的部曲都散布在外，城中守兵不足两千，他得知刘虞来袭的消息后在仓促间想从城东逃走。可是还没来得及动身，刘虞的大军已兵临城下，公孙瓒只得闭城坚守。不过刘虞因爱惜蓟县百姓的房屋严令不得放火焚城，并且要求攻城时尽量少杀伤城头的守军，本来他的部队就不善作战，在这些命令的限制下更加束手束脚，导致久攻不下。
公孙瓒见刘虞军徒有声势其实羸弱不堪，便决定发动反击。他挑选了精兵数百人，亲自带队于晚间突然杀出城来并顺风点火，趁着火势杀入了刘虞的兵营。刘虞军遭到突袭后一片大乱，自相践踏而死者不计其数，大败后的刘虞带着部下往北逃到了居庸县。公孙瓒一面挥师追击，一面联络其他部曲召集他们一同攻打刘虞。等到了居庸县时，公孙瓒已纠合了两万人马，不出三天就攻破了城池，活捉了刘虞及其妻子儿女后返回蓟县，仍让他作傀儡管理州中事务。
此时长安那边还不知幽州的变故，李傕为继续笼络人心让刘协派使者段训给刘虞增加封地，令其督统六州，同时升迁公孙瓒为前将军，封易侯。见到段训后，公孙瓒诬陷刘虞和袁绍密谋妄图称帝，请段训亲自将其斩首。段训闻言大惊，惶恐地说：“刘公忠勤于北地多年，素有贤名，这其中怕是有什么误会。况且他又是汉室名裔，，即便犯了大逆之罪，也应带回京师交予陛下处置。”公孙瓒听后眼神冰冷，狠戾地说：“段公代天子行事，遇到此等大逆不道之事怎能犹豫不决？若是让人疑心你与逆贼有私，恐怕送往长安的头颅又要多一颗了。”在公孙瓒的胁迫下，段训只得斩刘虞及其妻子儿女于蓟县菜市。公孙瓒派人将刘虞的首级送到京师并上表告知将自领幽州刺史，却被刘虞的旧部尾敦在路上劫走后安葬。
刘虞的从事鲜于辅和齐周、骑督尉鲜于银等旧部共推以恩义待人而知名的燕国广阳人阎柔为乌桓司马，起兵为刘虞报仇。阎柔招集鲜卑、乌桓等兵马，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之北，大败公孙瓒军，歼敌四千并斩杀主将邹丹。后来公孙瓒亲自带兵来援才将阎柔等人赶至了乌桓。
公孙瓒得到了整个幽州之后，日益骄矜，也不恤百姓，还常因一些小事就辱骂体罚下属。幽州的百姓无不怀念刘虞的仁德，甚至一些从外州流亡至此的难民也会为刘虞的死而痛哭流涕，对他们来说，幽州作为宁静的避风港的日子将一去不复返。
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