陳登見到曹操，說呂布有勇無謀，輕於去就，建議曹操盡早謀取他。曹操說：“呂布狼子野心，確實難以久養。不是你，我還不了解他呢！”當即把陳珪的官階升為二千石，任命陳登為廣陵太守。臨別，曹操握手叮嚀：“東方的事情，就交托給您了！”讓陳登暗中聚合部眾，以做內應。
袁術聽說呂布將韓胤交給了曹操，並且曹操還殺了韓胤，大怒。遂派大將張勳、橋蕤和韓暹、楊奉等聯合起來，大舉出兵，分七路進攻呂布。當時眾寡懸殊，呂布隻有3000士卒400匹馬，而敵軍卻有數萬人。呂布擔心無法抵禦，對陳珪說：“你招惹的是非，就由你負責解決。你說該怎麼辦？”陳珪不慌不忙地說：“韓暹、楊奉和袁術，不過是烏合之眾，沒有一定的謀略，隻要稍用計謀，就能不攻自破。”
呂布覺得他說得有理，就寫信給韓暹、楊奉二人，信中說：“二位將軍親自護衛車駕東來，而我親手殺死董卓，我們都為漢室立了大功，應該永垂青史。如今袁術造逆，本應一起誅討，為何卻和他一起來攻打我呢？我們應該同心協力，擊破袁術，建功天下才是！”他還答應攻破之後，軍資輜重都歸韓暹、楊奉。二人大喜，於是在下邳合兵大破張勳，生擒橋蕤。接著，呂布又與楊奉、韓暹進軍壽春，水陸並進，所過擄掠，直到鍾離，大獲而還。
呂布性格武斷輕率，做事變化無常，急冷忽熱。對此，部將高順常常進言勸諫，呂布明知他說的對卻仍不聽取。不久，呂布又背叛曹操，歸附袁術。
困守孤城喪命白門
建安三年（198），呂布派高順和張遼進攻劉備，劉備求救於曹操，操派夏侯惇前往救援。然而，夏侯惇卻被高順打敗，並且還俘獲了劉備的家小。於是曹操決定親征呂布。他來到下邳城下，呂布屢次率兵出戰，但連連失利。退守城邑，不敢出戰，於是曹操寫信給呂布，剖析利弊，勸布投降。呂布本來就沒什麼謀略。實在是一介莽夫，所以曹操沒幾句話就把他說心動了。但他的謀士陳宮因以前得罪過曹操，害怕被殺，就勸呂布說：“曹老頭遠道而來，糧馬支持難以長久。將軍你可率步騎駐紮於外，我就率餘眾閉門守內。曹操若攻將軍，臣就引兵而攻其後背。曹操若攻城，則將軍可以從外救城。這樣堅持不過旬月，等曹軍軍糧吃完，我們就能一舉擊破曹軍。”呂布覺得很有道理，欣然接受。
於是呂布派陳宮、高順守城，自己率兵出城隔斷曹操糧道。可呂布的妻子卻堅決反對，他認為陳宮和高順一向不和，呂布一旦出城，陳、高二人若不能同心守城，那整個徐州城就危在旦夕了。江山可以不愛，美人可不能不疼，無奈之下，呂布隻好向袁術求救。
袁術對於呂布悔婚一事，一直耿耿於懷，所以對於求援之事，予以拒絕。後經王楷、許汜曉以利害，袁術這才整頓兵馬，為呂布作聲援。呂布知袁術不發兵的緣故是因為悔婚一事，便將女兒用帛纏身，用甲包裹，捆在馬上，乘夜親自送她出城。無奈曹兵圍困太嚴，箭已搭在弦上，隻要有人出城，立即萬箭齊發，所以呂布隻好退回。
曹操挖掘戰壕，包圍下邳。然而下邳久攻不下，不僅眾將士心生疲憊，就連曹操也漸生退兵之意。荀攸、郭嘉勸他再堅持一下。過了一個多月，呂布越發困窘，打算投降，為陳登勸止。雙方就這樣僵持著。然而這本來就是一場心裏戰，誰能堅持到最後，誰就是勝者。可是時間一長，總有人沉不住氣了，一沉不住氣就注定失敗。呂布軍中有幾位坐不住了，侯成、宋憲、魏續便押著陳宮率眾投降了。呂布聞變，與部下登上白門樓抗拒敵軍。曹軍一陣急攻，呂布有些招架不住，不忍身邊親兵枉死，就讓左右取下他的首級投降曹操，左右不忍心，也不敢。然而，時勢已不能挽回，呂布隻得下樓請降。
呂布見到曹操說：“從今往後，天下可定了。”曹操不解地問：“何以見得？”呂布說：“天下間，最令明公顧忌的人就是我呂布，如今我已折服。以後我為明公領騎兵，明公率步兵，不愁天下不定啊！”回頭又對劉備說：“玄德老弟，你現在是坐上賓，我是階下囚，看我被捆的這麼緊，怎麼也不替為兄的說句話呀？”曹操聞言，解嘲一笑，說：“縛虎哪能不緊呢？”一邊說話，一邊就讓人為呂布鬆綁。誰知久久不語的劉備這時卻說了一句：“明公，您不記得呂布是怎麼侍奉丁建陽（丁原）、董太師（董卓）了嗎？”
曹操一聽連連點頭，呂布則怒視劉備，罵道：“這個大耳朵小子，最不可信！”不久，呂布被縊死。