吕布深知曹操用兵如神，得到其进犯徐州的消息后迅速布置了周密的应对计划，他亲自守在下邳，调张辽屯兵夏丘，成廉进驻彭城，联络泰山军首领臧霸、孙观、吴敦、尹礼、昌豨等起兵响应，在不知陈登反叛的情况下还写信让他从广陵出兵阻截曹操。
很多布局都是因一丝细微的错漏而导致满盘皆输，陈登这一变数显然对吕布的计划造成了致命的打击。曹操在无人拦截的情况下长驱直入彭城，成廉还没来得及布置防御工事就遭到了猛攻，最终城破身死。与此同时陈登已率军从广陵进抵下邳，身在夏丘的张辽想回援下邳又担心彭城的曹军从后包抄，思前想后之下不得不暂时留守夏丘按兵不动。
只有泰山军一路按原计划向曹军发动攻击，在琅琊和于禁部相遇。于禁和泰山军首领之一的昌豨是旧识，写信诱降了他。泰山军内部失火，遭受大败，臧霸亲身断后，力战四十合杀退于禁，方才脱困。
眼看形势急转直下，吕布接连抛出后手，他先写信给素来与自己交好的河内太守张杨请他出兵相救，随后又派遣部下官员许汜、王楷向袁术求援。张杨接到消息后立即出兵东市，遥为之势，想不到起兵不久就被他的部将杨丑刺杀。杨丑想要带着张杨的首级投奔曹操，却在半途又被自己的别将眭固所杀，后者领着张杨的余部向北与袁绍联合。袁术这边的情况有些复杂，从情感上他是记恨吕布不愿出兵的，但理智告诉他不要忘记唇亡齿寒的道理，然而现实是退保淮南的袁术一天比一天困窘，实在也是力不能支，最后只派出了数千人马在淮河边徘徊聊作声援。
州内调度屡屡失算，外部援军又迟迟没有消息，眼看曹操的大军已经兵临下邳，吕布只得率军出城作战。曹操知道吕布武勇过人，直接就派出许褚、夏侯渊、乐进、李典等数名猛将一拥而上，吕布寡不敌众，只好退守城池，不敢出战。曹操送了一封信给吕布，向他陈述祸福，吕布有些心动，登上城头对曹军士兵说：“你们不必再继续逼迫于我，我要向明公自首。”陈宫在一旁制止说：“逆贼曹操，怎配称明公？我们如若投降，就似以卵投石，怎么可能保全性命！”吕布听后还有些犹豫，陈宫继续献计说：“曹操远来，势不能停留过久。将军可统领骑兵屯驻城外，由我率领剩下的军队在内守城。如果曹军进攻将军，我就领兵攻其后背；如果曹军攻城，则将军在外援救。不出一个月，曹军粮草用尽，我们再行反击必可破敌。”吕布听了觉得此计甚好，便打算留陈宫与高顺守城，自己率骑兵截断曹军的粮道。不料吕布的妻子严氏听说后哭着对吕布说：“昔日曹操以赤子之心对待陈宫，他尚且舍弃了曹操来投靠我们；如今将军待陈宫厚不过曹操，却要把全城交给他，孤军远出。如果一旦有变，难道又要像在长安那样抛下我和孩子吗？”吕布经不住严氏的不断劝说，最终打消了出城的计划。
吕布久等袁术的援军不到，以为袁术因自己不送女儿和其子成亲故而不发兵救援，就用丝绵将女儿身体裹住，绑到马上，乘夜亲自送她出城。曹军的守兵昼夜巡视毫无松懈，见到吕布出城后便围拢上来弓弩齐发，吕布不能通过，又被逼回了城中。
在外援无望的情况下，吕布军一心自守，倒也让围城的曹军久攻不克。曹操见兵士疲态尽显，便有心撤军。荀攸反对道：“吕布虎步江淮，骁勇过人，如今他被困城中，锐气已衰；而陈宫智谋有余，机变不足。现在应乘吕布锐气未复，陈宫智谋未定的时机，一举将其消灭，否则等他缓过劲来与袁术等势力联合，将成大患。下邳城防坚固，可引沂、泗之水灌城，则城必溃。”曹操采纳了荀攸的建议，开凿沟渠，决沂河、泗河之水。大水冲垮了城墙的一角，大批粮食被水浸泡而发霉，不少城中百姓逃亡不及顺水漂流，两边堆积了无数被淹死之人的尸体，蝇虫遍布臭不可闻。在如此绝境之下，吕布还会有回天之力吗？
本章结束