建安三年（198年），呂布再次反叛朝廷與袁術結盟。呂布曾派人帶金子欲到河內郡買馬，被劉備軍抄掠。呂布于是派中郎將高順、北地太守張遼攻打沛城，擊敗劉備。曹操派夏侯惇援救劉備，也被高順等人打敗，九月，高順等人攻破沛城，俘虜了劉備的妻兒，劉備敗投曹操。
曹操于是親自率兵攻打呂布，大軍抵達下邳城下。曹操送了一封信給呂布，向他陳述禍福。呂布想投降，但陳宮等人由于自己對曹操負罪，極力反對，而且對呂布說：“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，我率領其余人馬關了城門把守。曹操如果向將軍進攻，我帶領部隊從后面進攻曹軍；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曹操。”呂布同意他的看法。呂布的妻子說：“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并未超過曹氏，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？”于是呂布作罷，但暗中派人向袁術求救，又親自率領一千多騎兵出城，打敗后退回城內，守住城不敢出去。袁術也不能援救。呂布雖驍勇剛猛，但少謀而心胸狹隘多猜忌，不用陳宮建議，諸將又各自猜疑，所以每戰多敗。
曹操圍攻三個月，決水圍城，呂布軍中上下離心。呂布部將侯成丟失了名馬，不久又再次找到了，諸將合禮來祝賀侯成。侯成分酒肉款待大家，先入獻給呂布。呂布怒曰：”我呂布禁酒而卿等醞釀，為欲因酒共謀我呂布嗎？“侯成又憤怒又恐懼，于是，在十二月癸酉（199年2月7日），侯成與宋憲、魏續反叛，縛了陳宮投降，呂布在白門樓見曹軍攻急，大勢已去，于是令左右將他的首級交給曹操，左右不忍，[33]便下城投降。
呂布被捆到曹操面前，對曹操說：“我對手下部將可是夠厚道了，是他們臨時一起背叛我罷了。“曹操說：你背著你的妻子，與你幾個部下的妻子私通，怎么能稱為厚道呢？”呂布沉默不語[35]。呂布曾要求松綁，曹操笑說：“捆綁老虎不得不緊。”呂布又說：“曹公得到我，由我率領騎兵，曹公率領步兵，可以統一天下了。”曹操頗為心動，但劉備在一旁說：“明公您看見呂布是如何侍奉丁建陽和董太師的嗎！”呂布死前說：“大耳兒劉備最不能相信！”最終，呂布被縊殺，然后梟首。
呂布手下的陳宮、高順拒降，也被處死。曹操下令將呂布、陳宮、高順的首級送往許都彰功，然后下葬。[36]曹操召見陳宮之母，并終身奉養陳宮之母，又給陳宮之女安排出嫁，撫視其家，對待陳宮的家人比當初更加厚重。前尚書令陳紀、陳紀的兒子陳群也在呂布軍中，曹操皆禮而用之。呂布手下的張遼時任魯國的國相，張遼率領魯國軍眾投降，曹操任命張遼為中郎將。呂布手下的臧霸是泰山賊，選擇了亡匿，后來，曹操派人找到臧霸，又讓臧霸招吳敦、尹禮、孫觀等，他們皆詣曹操而降。至此，昔日的呂布集團，化作歷史的塵埃。