汉献帝刘协想东归洛阳，派刘虞之子刘和逃出长安，偷偷出武关去找刘虞，让刘虞率兵前来相迎。刘和途经袁术驻地，将此事告知了袁术。袁术扣留了刘和，让刘和给刘虞写信，答应等刘虞率兵前来为袁术后援，一起赴长安。公孙瓒知道袁术会叛变而制止刘虞，刘虞不听。公孙瓒担心袁术知道后恨他，派他堂弟公孙越率千余骑兵到袁术处相结好，而暗地又让袁术扣留刘和并夺占刘和兵马。因此，公孙瓒与刘虞的矛盾越来越深。
袁术遣公孙越帮助孙坚攻周昂，公孙越被流矢射中而死，公孙瓒怒道：“我弟之死，祸起于袁绍。”于是出兵驻扎在磐河（今河北境内）准备报复袁绍。袁绍非常惊恐，把渤海郡太守印交给了公孙瓒堂弟公孙范，派他到南皮，想以此与公孙瓒结援。公孙范于是背叛袁绍，以渤海兵力协助公孙瓒，攻破青州、徐州黄巾军，兵势日益强盛，进驻界桥（故址在今河北威县境内）。公孙瓒自己任命严纲为冀州州牧，田楷为青州州牧，单经为兖州（今山东金乡县西北）州牧，并配置了郡守县令。
公元192年（汉献帝初平三年），袁绍屯军广川县（今河北枣强县东北），与公孙瓒战于界桥南二十里处。公孙瓒有精兵三万。袁绍命其将麴义领精兵八百在前，布强弩千张于两翼。公孙瓒轻视袁绍兵少，纵骑兵出战。麴义命士兵伏于楯下不动，等公孙瓒军到十步前，一时同发，公孙瓒大败。袁绍军生擒了严纲并斩其首。麴义追公孙瓒到界桥，公孙瓒率兵还击，再次被打败。于是公孙瓒逃到蓟县（今北京大兴区），在县城东南另筑小城自守，与刘虞临近，渐渐结下仇恨。袁绍派部将崔巨业率兵攻打公孙瓒的故安，不下，在引军南归时，在巨马水被公孙瓒大军追上，大败，七八千人阵亡。公孙瓒想乘胜追击，却又在龙凑被袁绍打败，双方战成均势。
公元193年（汉献帝初平四年），刘虞担心公孙瓒反叛，于是率兵十万攻打公孙瓒。当时，公孙瓒的部曲放散在外，仓卒欲从东城逃走，刘虞的士兵不习战，又下军令不准骚扰百姓，久攻不下。公孙瓒于是招募精兵数百人，顺着风势放火，趁势杀入刘虞兵营，刘虞大败。刘虞与他的部下往北逃到居庸县（今北京延庆东）。公孙瓒三天就攻破了居庸城，活捉刘虞及其妻子儿女回到蓟县。此时董卓已死，献帝派使者段训给刘虞增加封地，令其督统六州，升迁公孙瓒为前将军，封易侯。公孙瓒诬陷刘虞与袁绍谋取称帝，胁迫段训斩刘虞及其妻子儿女于蓟市。公孙瓒将刘虞的首级送到京师，被刘虞的旧部下尾敦在路上劫走并安葬。公孙瓒杀了刘虞之后，得到了整个幽州，日益骄矜，不恤百姓，记过善忘，睚眦必报。
公元195年（汉献帝兴平二年），刘虞的从事渔阳鲜于辅、齐周、骑督尉鲜于银等率幽州兵马想为刘虞报仇，因燕国（今北京大兴）阎柔素有恩义，他们便推举阎柔为乌丸司马。阎柔招集鲜卑、乌丸等兵马，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（今朝白河）之北，大败公孙瓒军，斩杀邹丹。乌桓峭王也率其部落的人及鲜卑骑兵七千余骑，随鲜于辅迎接刘虞之子刘和与袁绍将麴义，合兵共十万攻打公孙瓒，大败公孙瓒于鲍丘，斩首二万余。于是，代郡、广阳、上谷、右北平各杀公孙瓒所置长官，与鲜于辅、刘和兵联合，公孙瓒屡战屡败，于是逃回易京（故址在今河北雄县西北）坚守，开置屯田。两军相持一年有余，麴义粮尽退兵，公孙瓒乘势出击，击败麴义，尽得其车重。
公元198年（汉献帝建安三年），袁绍传书给公孙瓒，想跟他释和，公孙瓒没有答复，反而增强守备。袁绍于是大兴兵攻打公孙瓒。先是公孙瓒一别将被围，公孙瓒不肯相救，说：“救一人，那以后众人都会只等救兵而不肯力战。”等到袁绍来攻时，公孙瓒的界桥别营自度不能自救，而公孙瓒必不肯相救，众人或降或逃。
袁绍直接攻到了城门前，公孙瓒派他的儿子公孙续向黑山（今河南浚县西北）黄巾军求救，又想亲自率兵冲出重围，占据西南山，仰仗黑山军，切断袁绍军的后路。长吏关靖劝谏他说：“现在您的将士都各怀叛离之心，已无力再战，他们之所以能固守是顾惜他们的故乡老少，而把将军您当成主心骨，将军如能持久坚守，袁绍自然会退兵，四方军队一定又可以会合了。若将军现在弃易京而走，军队会失去后镇，易京覆灭指日可待。将军失去根基，流落荒野，怎么成就事业呢？”公孙瓒于是决定不离开易京，等待其子搬来救兵，内外夹攻袁绍。
公元199年（汉献帝建安四年）三月，黑山帅张燕与公孙续率兵十万，分三路相救公孙瓒。援兵还没到，公孙瓒秘密派人送信给公孙续，让他率五千骑兵于北隰之中，举火把为应，公孙瓒就从城内出战。袁绍劫得了这封信，将计就计，举起火把。公孙瓒以为救兵到了，率兵出击。袁绍设伏兵袭击公孙瓒，公孙瓒大败，又回到城内坚守。袁绍于是掘地道到城楼下，毁坏其望楼，渐渐到达中央的土丘。公孙瓒自料必败无疑，先杀掉自己的妻子、儿女，然后引火。
陈寿曾经评价公孙瓒道：“瓒遂骄矜，记过忘善，多所贼害”；“公孙瓒保京，坐待夷灭。”
而此人如果用的好的话也算是一员良将，经过反复思考，李忠还是决定接纳公孙瓒，毕竟他李忠不是刘虞，他相信他自己有信心能够降服他。