呂布在建安二年和袁術鬧翻，順從朝廷，但僅僅一年之後呂布就再次和袁術聯手，反叛了朝廷。
那時曹操命令劉備為豫州牧，駐紮在沛城，牽制呂布。呂布背叛朝廷後立刻派高順討伐劉備，高順先是將曹操派來支援的夏侯惇擊退，又將劉備的沛城攻陷。
此時曹操第三次討伐張繡失敗，在這種情況之下曹操決心先除去呂布收復徐州，於是和劉備等人匯合，親自率大軍討伐徐州呂布，這也是自陶謙死後，曹操又一次踏入了徐州大地，所帶給徐州人的依然是一片痛苦。
得知曹操進軍徐州之後，陳登立刻由廣陵出發，親率精兵作為曹操的先驅。
建安三年（198）十月，曹操攻陷了徐州重鎮彭城,活捉了彭城國相侯諧，還對城內的守軍和百姓進行了大規模屠殺。
曹軍繼續前進,來到下邳。呂布親自率騎兵迎戰,結果被曹操打得大敗,就連呂布的大將成廉也被活捉。曹軍乘勝追擊,直逼城下。
曹兵到下邳城下，和陳登合力圍呂布於下邳城。曹操送了一封信給呂布，向他陳述禍福，希望呂布投降。呂布本來想投降，但陳宮不答應，極力勸阻呂布死戰到底，而且對呂布：“曹公從遠道而來，其局勢不能持久，將軍如果用步兵和騎兵駐守城外，我率領其餘人馬關了城門把守。曹操如果向將軍進攻，我帶領部隊從後面進攻曹軍；要是曹操只是攻城，將軍就從外面救援。用不了一個月，曹軍糧食全部用盡，發起進攻就可以打敗他了。”
呂布十分同意陳宮的看法。
但呂布的妻子：“從前曹氏對待陳公臺像對待嬰兒一樣無微不至，陳宮仍然丟下曹操投靠我們。現在將軍對待公臺的好處並未超過曹氏，卻打算丟下全城和妻子兒女孤軍遠出嗎？一旦發生變故，我難道還能成為將軍的妻子嗎？”
於是呂布作罷，但暗中派人向袁術求救，後來呂布還是親自率領一千多騎兵出城，可惜兵力太少，被打敗後退回城內，這下呂布守在城內也不敢出去了。
在這種情況下袁術也不能援救。而面對堅固的下邳城曹操也沒什麼好辦法，於是就和呂布在下邳僵持了起來。
由於連續的作戰,曹操的士兵很疲憊,於是曹操想收兵。
這個時候荀攸和郭嘉就對曹操勸到:“呂布勇而無謀,現在三次交戰他都敗了,他的銳氣已經衰落。軍隊以大將為核心,首領衰疲,部隊就沒有奮戰的意志了。那個陳宮有謀卻需要長時間的思考,現在趁著呂布銳氣還未恢復,陳宮謀劃還未確定,我們進兵,急速攻打,呂布就可以被拿下。”
於是曹操在荀攸和郭嘉的建議下繞城挖了深溝，將沂水、泅水堵塞以淹灌下邳城，一個多月（一三個月）後，城內不滿的情緒越來越多。
那時呂布的將領侯成要門客去放牧他的名馬，然而門客騎馬叛逃。侯成追趕門客，將馬追回，將領們湊合了禮物向侯成祝賀。侯成分了一部分酒肉，裹在裡面去見呂布：“靠將軍的神威，將失去的馬追回，將領們都來祝賀，我沒敢嘗用，先拿來獻給您。”
結果呂布卻發怒：“我禁止喝酒，而你們在一起謀劃，是想借喝酒打我的主意嗎？”侯成好心被當成驢肝肺，對呂布是又恨又怕，就乾脆與宋憲、魏續等眾將共同捉了陳宮、高順，率領部下向曹操投降。
呂布身邊的大將不是叛變就是被抓，自己也覺得大勢已去，於是和身邊僅有的一些部下登上白門樓，看見了曹操的士兵們正在加緊進攻，呂布就要身邊的人砍下自己的腦袋去給曹操，但身邊的人都心中不忍，就和呂布一起下樓向曹軍投降。
呂布見到曹操後，直接到：“從今以後，這天下就已經平定了。”
曹操很不理解，就問到：“為什麼這麼呢？”
呂布於是：“您所擔心的人沒有超過我呂布的，我現在已經歸順了。讓我統率騎兵，您統率步兵，天下的平定輕而易舉。”又掉過頭來對劉備：“玄德，您為座上客人，我是投降的俘虜。我被繩子捆得太緊了，難道不能為我句話嗎？”
曹操聽完之後很高興，於是笑著：“捆綁老虎不能不緊。”下令將呂布的繩索捆松些。
但劉備卻到：“不可以。您沒有看到呂布侍奉丁建陽、董太師後來的結果嗎？”
皇叔實際上並沒有把話給完，但曹操是多聰明的一個人，他搖了搖頭，看了一眼劉備，一切盡在不言中。
歷史上向曹操投降之後還被殺的，在現有的記載中呂布是第一人。
比一下後來把曹操兒子（嫡長子）、愛將、侄子、愛馬都幹掉了的張繡，這怪誰呢？怪曹操嗎？怪劉備嗎？
歷史上丁原對呂布好，被呂布殺了；董卓把呂布當自己兒子看，也被呂布殺了；劉備在呂布危難之時就救助了他，把呂布迎到自己的地盤上，最後反而被呂布趁機奪走了地盤。而現在也只有皇叔還活著了，你怪誰？
呂布看著劉備，怒不可遏的留下了自己的遺言：“你是最無信義的人。”（後漢書中為‘你這長著大耳朵的傢伙最不可相信了！’）
不過三國歷史上還有比呂布更沒有信義，反覆無常的人嗎？
解決了呂布之後曹操又對陳宮：“公臺平生自認為足智多謀，現在你認為怎麼樣？”
陳宮指著呂布：“此人不採納我的意見，才弄到這個地步。如果聽我的話，結果很難預料。”
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曹操：“如果您死了，您的老母親怎麼辦？”
陳宮：“我的老母親取決於您而不取決於我。聽以孝治理天下的人，是不會殺害別人的父母。”
曹操又：“那您的妻子兒女怎麼辦？”
陳宮：“我聽成就霸主和天子功業的人，不斷絕別人的香火祭祀。”
曹操雖然百般勸解但陳宮堅持要求受刑，甚至著走出門外不再回頭，曹操為他掉下眼淚，後來曹操把陳宮的母親接來,養老送終,並將陳宮的女兒許配了人家。
呂布、陳宮和高順全被處死，他們的首級被送到許都集市示眾。
在曹操消滅呂布後，呂布原來的部下張遼也投靠了曹操，還抓住了以前背離了曹操的畢諶。
畢諶被活捉時,眾人為他擔心,出人意料的是曹操沒有一怪罪畢諶的意思，還到:“凡是孝敬父母的人,難道不也是忠君之人嗎？這正是我所需要的人。”於是曹操封他為魯國國相。
呂布集團就此覆滅。