第二天，刘备面见献帝奏明此事。曹操命令刘备统领五万人马，还派朱灵、路昭二人一同前往。刘备辞别献帝，献帝流着泪为他送行。刘备回到住处，连夜收拾兵器、鞍马，挂上将军印，催促军队赶紧出发。董承赶到十里长亭来送行，刘备说：“国舅耐心等待，我这次出征一定会有所回报。”董承说：“您要多多留意，不要辜负皇帝的期望。”两人就此分别。
关羽、张飞骑在马上问道：“兄长这次出征，为什么如此匆忙？”刘备说：“我就像笼中的鸟、网里的鱼。这一去就如同鱼入大海、鸟上青天，不再受牢笼和网的束缚了！”于是让关羽、张飞催促朱灵、路昭的军队快速前行。当时郭嘉、程昱核算钱粮刚刚回来，得知曹操已经派刘备进兵徐州，急忙进谏说：“丞相为什么让刘备督军？”曹操说：“为了截击袁术。”程昱说：“以前刘备担任豫州牧的时候，我们请求杀了他，丞相不听，如今又给他兵马。这就好比放龙入海，纵虎归山。以后再想制服他，还能做到吗？”郭嘉说：“丞相即使不杀刘备，也不该让他离开。古人说：‘一日放纵敌人，就会留下万世的祸患。’希望丞相明察。”曹操觉得他们说得对，就命令许褚率领五百士兵前去，务必把刘备追回来。许褚领命而去。
刘备正在行军途中，只见后面尘土飞扬，他对关羽、张飞说：“这一定是曹兵追来了。”于是安下营寨，让关羽、张飞各自手持兵器，站在营寨两边。许褚赶到，看到营寨戒备森严，士兵们都披甲待命，便下马进入营寨拜见刘备。刘备问：“您来这里有什么事？”许褚说：“奉丞相的命令，特地请将军回去，另有商议。”刘备说：“将领在外作战，有时可以不接受君主的命令。我当面见过皇帝，又承蒙丞相的指示。如今没有别的商议，您可以赶紧回去，替我向丞相禀报。”许褚心想：“丞相和他一向交情不错，这次又没让我来厮杀，只能把他的话带回去，再听候丞相裁决了。”于是辞别刘备，领兵返回。
许褚回去见到曹操，详细汇报了刘备说的话。曹操犹豫不决，程昱、郭嘉说：“刘备不肯回兵，可见他已经变心了。”曹操说：“我有朱灵、路昭二人在他身边，料想刘备未必敢变心。况且我既然已经派他去了，怎么能反悔呢？”于是不再追刘备。后人写诗感叹刘备：
束兵秣马去匆匆，心念天言衣带中。撞破铁笼逃虎豹，顿开金锁走蛟龙。
马腾见刘备已经离开，边疆军情又紧急，也返回西凉州去了。刘备的军队到达徐州，刺史车胄出城迎接。众人举行完公宴，孙乾、糜竺等人都来拜见。刘备回家探望家人，一面派人去探听袁术的消息。探子回来报告：“袁术奢侈过度，雷薄、陈兰都投奔嵩山去了。袁术势力大衰，就写信把帝号让给袁绍。袁绍派人去召袁术，袁术便收拾人马和宫中御用之物，先往徐州而来。”
刘备得知袁术即将到来，就率领关羽、张飞、朱灵、路昭的五万大军出城，正好遇上袁术的先锋纪灵。张飞二话不说，直接冲向纪灵。两人没打十个回合，张飞大喝一声，将纪灵刺于马下，纪灵的败军纷纷逃窜。袁术亲自率领军队前来迎战。刘备兵分三路：朱灵、路昭在左路，关羽、张飞在右路，刘备自己率领军队在中路，与袁术对阵。刘备在军旗之下责骂袁术：“你叛逆无道，我如今奉皇帝的诏书前来讨伐你！你应当束手投降，或许可以免你罪行。”袁术骂道：“你这个织草席、编草鞋的小辈，怎敢轻视我！”指挥军队冲了过来。刘备暂时后退，让左右两路军队杀出。这一战杀得袁术的军队尸横遍野，血流成河，士兵逃亡的不计其数。袁术的军队又被嵩山的雷薄、陈兰劫去钱粮草料。袁术想回寿春，又遭到一群盗贼袭击，只能住在江亭，手下只剩下一千多人，还都是老弱病残。当时正值盛夏，粮食断绝，只剩下三十斛麦子，分给军士。袁术的家人没有食物，很多人饿死。袁术嫌弃饭食粗糙，难以下咽，就让厨师取蜜水来解渴。厨师说：“只有血水，哪有蜜水！”袁术坐在床上，大叫一声，倒在地上，吐血一斗多，就此死去。当时是建安四年六月。后人写诗道：
汉末刀兵起四方，无端袁术太猖狂。不思累世为公相，便欲孤身作帝王。强暴枉夸传国玺，骄奢妄说应天祥。渴思蜜水无由得，独卧空床呕血亡。
袁术已死，他的侄子袁胤带着他的灵柩以及他的妻子儿女逃奔庐江，被徐璆全部杀死。徐璆夺得玉玺，前往许都献给曹操。曹操十分高兴，封徐璆为高陵太守。至此，玉玺归曹操所有。
刘备得知袁术已死，写表章向朝廷奏明，又写信给曹操，让朱灵、路昭回许都，自己留下军马镇守徐州。他还亲自出城，招抚离散的百姓恢复生产。
朱灵、路昭回到许都拜见曹操，说刘备留下了军马。曹操大怒，要斩杀二人。荀彧说：“权力都在刘备手中，他们二人也无可奈何。”曹操这才赦免了他们。荀彧又说：“可以写信给车胄，让他在徐州内部设法对付刘备。”曹操听从了这个计策，暗中派人去见车胄，传达曹操的命令。车胄随即请陈登商议此事。陈登说：“这事很容易。如今刘备出城招抚百姓，不久就会回来。将军可以命令军士埋伏在瓮城边，装作迎接他，等他骑马过来，一刀将他斩杀。我在城上用箭阻拦他的后军，大事就能成功。”车胄听从了他的建议。
陈登回去见父亲陈珪，详细说了这件事，陈珪让陈登先去通知刘备。陈登领了父亲的命令，飞马前去报信，正好遇上关羽、张飞，把事情经过告诉了他们。原来关羽、张飞先返回，刘备在后面。张飞听了，就要去厮杀，关羽说：“他在瓮城边埋伏等着我们，去了一定会有闪失。我有一计，可以杀了车胄：趁夜晚扮成曹军到徐州，引车胄出城迎接，然后袭击并杀了他。”张飞觉得有理。他们部下的军队原本就有曹操的旗号，衣甲也都一样。当夜三更，他们来到城边叫门。城上的人问是谁，众人回答是曹丞相派来的张文远的人马。士兵向车胄报告，车胄急忙请陈登商议说：“如果不迎接，确实容易被怀疑；如果出城迎接，又怕有诈。”车胄于是上城回应：“黑夜难以分辨，天亮了再相见。”城下的人回答：“就怕刘备知道，赶快开门！”车胄犹豫不决，城外一片喊开门的声音。车胄只得披挂上马，率领一千士兵出城，跑过吊桥大叫：“文远在哪里？”火光中只见关羽提刀纵马直取车胄，大叫：“匹夫怎敢心怀诡计，想要杀我兄长！”车胄大惊，没战几个回合，就抵挡不住，拨马往回跑。到了吊桥边，城上的陈登乱箭射下，车胄绕城而逃。关羽追上来，手起一刀，将车胄砍于马下，割下首级提回，望着城上高呼：“反贼车胄，我已经杀了他。众人无罪，投降免死！”曹军纷纷倒戈投降，徐州的军民都安定下来。
关羽拿着车胄的首级去迎接刘备，详细说了车胄想要谋害的事，如今已经将他斩首。刘备大惊说：“曹操要是来了，该怎么办？”关羽说：“弟弟我和张飞迎战他。”刘备懊悔不已，于是进入徐州城。徐州的百姓父老，都伏在道路两旁迎接。刘备回到府中，去找张飞，张飞已经把车胄全家杀光。刘备说：“杀了曹操的心腹之人，他怎么肯善罢甘休？”陈登说：“我有一计，可以退曹操。”正是：既把孤身离虎穴，还将妙计息狼烟。不知道陈登说出什么计策，且听下文分解。