建安三年（198年），吕布再次反叛朝廷与袁术结盟，派高顺攻打沛城，击败刘备。曹操派夏侯惇援救刘备，也被高顺等人打败，九月，高顺等人攻破沛城，俘虏了刘备的妻儿，刘备败投曹操。
《英雄记》则记载：此年春，吕布派人带金子到河内郡买马，被刘备军抄掠，吕布于是令中郎将高顺、北地太守张辽攻打沛城。九月，高顺等人攻破沛城，俘虏了刘备的妻儿，刘备单身而走。
同年九月，曹操亲自率兵攻打吕布，到达彭城。陈宫对吕布说：“应当率众逆战，我军以逸待劳，必定攻无不克。”吕布则认为：“不如等到曹操来攻，将敌军逼迫到泗水中。”十月，曹操攻破彭城，擒获吕布所设的国相侯谐，并乘胜攻向下邳，吕布亲自率骑兵出击，被曹操大败，骁将成廉被擒。曹操追到城下，围困下邳。
当时广陵太守陈登率领郡兵为曹操前驱，陈登的三个弟弟都在城中，吕布便拿三人做人质向陈登请和，陈登执意不从。城池被围后，吕布的刺奸张弘害怕遭到连累，于是趁夜将三人放回到陈登身边。
下邳形势危急，吕布害怕，在白门楼上对军士说道：“你们莫要再围困我，我会到明公面前自首。”
陈宫说道：“逆贼曹操，是什么明公！今日降了他，就如同卵砸在石头上一样，还能保全自己吗？”
吕布于是派许汜、王楷向袁术求救，又亲自率领一千多骑兵出城，兵败后退回城内，坚守不敢出。吕布虽骁勇刚猛，但少谋而心胸狭隘多猜忌，不用陈宫建议，诸将又各自猜疑，所以每战多败。
当时张杨欲图救援吕布，但无能为力，于是出兵东市，企图吸引曹操的注意力。袁术也听从许汜、王楷之言，严兵为吕布声援。吕布担心袁术因为过去结亲失败的事不发救兵，于是用绵布把女儿绑在马上，趁夜亲自骑马出城将女儿送给袁术，当时曹军守兵放箭阻拦，吕布无法通过，只得回城。吕布又打算令陈宫、高顺守城，自己率领骑兵出城截断曹操粮道。
吕布的妻子对吕布说：“将军亲自出马断曹公粮道可行，但陈宫、高顺两人素来不和，将军一离开，两人必定不能同心共守城池，如有蹉跌，将军还怎么割据一方呢？希望将军细心思考，不要被陈宫等人给害了。妾身当初在长安，已为将军所弃，赖庞舒私藏才得以免难，如今不须顾及妾身了。”吕布听后，愁闷不能决定。
《魏氏春秋》记载，陈宫对吕布说：“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曹操。”
吕布同意他的看法。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。
曹操围攻三个月，决泗、沂之水灌城，吕布军中上下离心。当初，吕布手下骑将侯成丢失了名马，不久又再次找到了，诸将合礼来祝贺侯成。侯成分酒肉款待大家，先入献给吕布。吕布怒道：“我吕布禁酒而卿等酝酿，诸将共饮食作兄弟，是打算共同谋杀我吕布吗？”
侯成大惊而去，丢弃酿造的酒，送还诸将送的礼品，自此心不自安。于是，在十二月癸酉日（199年2月7日），侯成与宋宪、魏续反叛，缚了陈宫、高顺，并率众向曹操投降。
吕布在白门楼见曹军攻急，大势已去，于是令左右将他的首级交给曹操，左右不忍，便下城投降。
吕布被捆到曹操面前，对曹操说：“我对手下部将可是够厚道了，是他们临时一起背叛我罢了。”
曹操说：“你背着你的妻子，与你几个部下的妻子私通，怎么能称为厚道呢？”
吕布沉默不语。吕布对一旁的刘备说：“玄德，你是座上的客人，我是俘虏，绳子绑我绑的太紧，就不能为我发一言吗？”
曹操笑道：“捆绑饿虎，不得不紧。”
吕布又说：“曹公得到我，由我率领骑兵，曹公率领步兵，可以统一天下了。”
曹操颇为心动，刘备劝道：“不可，明公您没看见吕布是如何侍奉丁建阳和董太师的吗！”曹操点头。吕布面向刘备说：“大耳儿最不能相信！”
《献帝春秋》记载，吕布被擒后对曹操说：“明公怎么瘦了？”
曹操问：“你怎么认识我的？”
吕布回答：“当年在雒阳时，我们在温氏园见过。”
曹操说：“此事我已经忘了。我之所以瘦，是因为恨自己不能早点得到你啊。”
吕布说：“昔日齐桓公不计较射钩之仇，任命管仲为相；如今吕布愿竭股肱之力，为明公做前驱，明公觉得可以吗？”
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