吕布在建安二年和袁术闹翻，顺从朝廷，但仅仅一年之后吕布就再次和袁术联手，反叛了朝廷。
那时曹操命令刘备为豫州牧，驻扎在沛城，牵制吕布。吕布背叛朝廷后立刻派高顺讨伐刘备，高顺先是将曹操派来支援的夏侯惇击退，又将刘备的沛城攻陷。
此时曹操第三次讨伐张绣失败，在这种情况之下曹操决心先除去吕布收复徐州，于是和刘备等人汇合，亲自率大军讨伐徐州吕布，这也是自陶谦死后，曹操又一次踏入了徐州大地，所带给徐州人的依然是一片痛苦。
得知曹操进军徐州之后，陈登立刻由广陵出发，亲率精兵作为曹操的先驱。
建安三年（198）十月，曹操攻陷了徐州重镇彭城,活捉了彭城国相侯谐，还对城内的守军和百姓进行了大规模屠杀。
曹军继续前进,来到下邳。吕布亲自率骑兵迎战,结果被曹操打得大败,就连吕布的大将成廉也被活捉。曹军乘胜追击,直逼城下。
曹兵到下邳城下，和陈登合力围吕布于下邳城。曹操送了一封信给吕布，向他陈述祸福，希望吕布投降。吕布本来想投降，但陈宫不答应，极力劝阻吕布死战到底，而且对吕布说：“曹公从远道而来，其局势不能持久，将军如果用步兵和骑兵驻守城外，我率领其余人马关了城门把守。曹操如果向将军进攻，我带领部队从后面进攻曹军；要是曹操只是攻城，将军就从外面救援。用不了一个月，曹军粮食全部用尽，发起进攻就可以打败他了。”
吕布十分同意陈宫的看法。
但吕布的妻子说：“从前曹氏对待陈公台像对待婴儿一样无微不至，陈宫仍然丢下曹操投靠我们。现在将军对待公台的好处并未超过曹氏，却打算丢下全城和妻子儿女孤军远出吗？一旦发生变故，我难道还能成为将军的妻子吗？”
于是吕布作罢，但暗中派人向袁术求救，后来吕布还是亲自率领一千多骑兵出城，可惜兵力太少，被打败后退回城内，这下吕布守在城内也不敢出去了。
在这种情况下袁术也不能援救。而面对坚固的下邳城曹操也没什么好办法，于是就和吕布在下邳僵持了起来。
由于连续的作战,曹操的士兵很疲惫,于是曹操想收兵。
这个时候荀攸和郭嘉就对曹操劝到:“吕布勇而无谋,现在三次交战他都败了,他的锐气已经衰落。军队以大将为核心,首领衰疲,部队就没有奋战的意志了。那个陈宫有谋却需要长时间的思考,现在趁着吕布锐气还未恢复,陈宫谋划还未确定,我们进兵,急速攻打,吕布就可以被拿下。”
于是曹操在荀攸和郭嘉的建议下绕城挖了深沟，将沂水、泅水堵塞以淹灌下邳城，一个多月（一说三个月）后，城内不满的情绪越来越多。
那时吕布的将领侯成要门客去放牧他的名马，然而门客骑马叛逃。侯成追赶门客，将马追回，将领们凑合了礼物向侯成祝贺。侯成分了一部分酒肉，裹在里面去见吕布说：“靠将军的神威，将失去的马追回，将领们都来祝贺，我没敢尝用，先拿来献给您。”
结果吕布却发怒说：“我禁止喝酒，而你们在一起谋划，是想借喝酒打我的主意吗？”侯成好心被当成驴肝肺，对吕布是又恨又怕，就干脆与宋宪、魏续等众将共同捉了陈宫、高顺，率领部下向曹操投降。
吕布身边的大将不是叛变就是被抓，自己也觉得大势已去，于是和身边仅有的一些部下登上白门楼，看见了曹操的士兵们正在加紧进攻，吕布就要身边的人砍下自己的脑袋去给曹操，但身边的人都心中不忍，就和吕布一起下楼向曹军投降。
吕布见到曹操后，直接说到：“从今以后，这天下就已经平定了。”
曹操很不理解，就问到：“为什么这么说呢？”
吕布于是说：“您所担心的人没有超过我吕布的，我现在已经归顺了。让我统率骑兵，您统率步兵，天下的平定轻而易举。”又掉过头来对刘备说：“玄德，您为座上客人，我是投降的俘虏。我被绳子捆得太紧了，难道不能为我说句话吗？”
曹操听完之后很高兴，于是笑着说：“捆绑老虎不能不紧。”下令将吕布的绳索捆松些。
但刘备却说到：“不可以。您没有看到吕布侍奉丁建阳、董太师后来的结果吗？”
皇叔实际上并没有把话给说完，但曹操是多聪明的一个人，他摇了摇头，看了一眼刘备，一切尽在不言中。
历史上向曹操投降之后还被杀的，在现有的记载中吕布是第一人。
比一下后来把曹操儿子（嫡长子）、爱将、侄子、爱马都干掉了的张绣，这怪谁呢？怪曹操吗？怪刘备吗？
历史上丁原对吕布好，被吕布杀了；董卓把吕布当自己儿子看，也被吕布杀了；刘备在吕布危难之时就救助了他，把吕布迎到自己的地盘上，最后反而被吕布趁机夺走了地盘。而现在也只有皇叔还活着了，你说怪谁？
吕布看着刘备，怒不可遏的留下了自己的遗言：“你是最中为‘你这长着大耳朵的家伙最不可相信了！’）
不过三国历史上还有比吕布更没有信义，反复无常的人吗？
解决了吕布之后曹操又对陈宫说：“公台平生自认为足智多谋，现在你认为怎么样？”
陈宫指着吕布说：“此人不采纳我的意见，才弄到这个地步。如果听我的话，结果很难预料。”
曹操说：“如果