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得到冀州后，袁绍在冀州有两大劲敌：一个是盘踞在冀州北部的公孙瓒，一个是冀州南部的袁术。
对袁绍独占冀州之事最不满的是公孙瓒。当初辛辛苦苦率军攻打冀州，到头来却是为他人作嫁衣裳，公孙瓒岂能罢休。而公孙瓒的弟弟公孙越在袁术军中攻打袁绍之子袁尚时，死于乱箭之中，于是公孙瓒以此为由举兵讨伐袁绍。公孙瓒大军攻势迅猛，威震河北，一时间，冀州各郡县长官纷纷投降。
为了缓和与公孙瓒的关系，袁绍提拔了公孙瓒的堂弟公孙范任渤海太守。然而公孙范到达渤海后，立刻就叛变了。公元192年，袁绍与公孙瓒两军在界桥南二十里处交战，公孙瓒的军队受到重创，大败而逃。
战败的公孙瓒逃到蓟县，与幽州牧刘虞之间的矛盾日渐加深。公元193年，刘虞以公孙瓒连年穷兵黩武、掠夺百姓为由，举兵讨伐公孙瓒，结果被公孙瓒所杀，由此公孙瓒占领了幽州。公孙瓒占领幽州后，日益骄矜，不恤百姓，一时间，幽州已是民怨沸腾。
公元195年，刘虞的旧部鲜于辅打着为已故刘虞报仇的旗号，联合乌桓峭王等人举兵攻打公孙瓒，袁绍的部将麹义也参与联合进攻公孙瓒。就在这时，幽州各郡也纷纷起兵征讨公孙瓒。公孙瓒屡战屡败，只好退到易京。
公孙瓒在易京建立了严密的防御措施，自己住在坚固的城楼中，坚守不出。袁绍连年出兵攻打，都没有好的成效，自己也消耗颇多。于是写信给公孙瓒，表示希望与他冰释前嫌，再度联合。公孙瓒担心有诈，反而加强了防备。于是袁绍又向易京增派了兵马，加强攻势。公孙瓒渐渐招架不住了，于是让儿子公孙续向黑山军将领求援，自己则亲自率军迎敌。
公元199年，黑山军首领张燕与公孙续率军十万前来支援公孙瓒。公孙瓒派使者前往送信，让公孙续率精兵五千到城北洼地埋伏，点火为号，公孙瓒率军出城，与公孙续前后夹击袁绍。谁知送信之人在半路被袁绍抓住了，截取了密信。袁绍决定将计就计，按照信中的约定点火为号，公孙瓒果然率军出城，结果冲进了袁绍的包围圈。两军经过一场大战后，公孙瓒败退，撤回城中。袁绍趁机让士兵挖掘地道入城，在公孙瓒所住的城楼下点火。公孙瓒陷入绝境，将妻子、姐妹缢死后，自己引火自焚了。
就这样，袁绍终于占据了幽州，此时，黄河下游的冀、青、并、幽四州都成了袁绍的地盘。此时的袁绍拥兵数十万，声名远播，成了当时最大割据势力的首领。