Viên Thiệu nhiều lần tấn công Công Tôn Toản không thắng được nên viết thư muốn xóa bỏ thù oán, lại giao hảo với nhau. Nhưng Công Tôn Toản cậy có Dịch Kinh kiên cố hiểm trở nên không thèm để ý tới thư của ông, chỉ lệnh cho các thuộc hạ tăng cường phòng bị và tuyên bố thách Viên Thiệu có thể vây đánh trong vài năm.

Viên Thiệu tức giận bèn khởi đại binh đi đánh U châu. Công Tôn Toản sai con là Công Tôn Tục sang Thường Sơn cầu cứu tướng Khăn Vàng là Trương Yên cứu viện. Quân Viên Thiệu từng bước áp sát, vây chặt Dịch Kinh. Nhiều tướng sĩ dưới quyền Công Tôn Toản chán nản, lo không giữ nổi, bèn bỏ chạy trốn.

Trương Yên nhận lời Công Tôn Tục, dẫn 10 vạn quân đi cứu Công Tôn Toản. Công Tôn Toản bèn viết thư ra cho Công Tôn Tục, hẹn Tục hãy dẫn 5000 quân đến chỗ trũng phía bắc thành, đến giờ đốt lửa làm hiệu sẽ cùng giáp công trong ngoài. Nhưng thư của Toản gửi ra bị Viên Thiệu bắt được. Viên Thiệu tương kế tựu kế, bèn đốt lửa lừa Công Tôn Toản. Toản tưởng cứu binh tới bèn mang quân ra đánh, không ngờ rơi vào mai phục. Công Tôn Toản bại trận phải chạy về thành đóng cửa cố thủ.

Viên Thiệu bèn sai quân đào đường ngầm, dùng gỗ chống lên, dần dần đào tới gò đất chỗ Công Tôn Toản ở. Khi dựng gỗ xong, quân Viên Thiệu châm lửa đốt, phá hoại lâu đài, khiến đất sụt xuống. Lầu đổ, Viên Thiệu thừa cơ thúc quân đánh vào. Công Tôn Toản tự biết không thể chống cự được nữa giết hết gia quyến rồi đốt lửa tự thiêu mà chết.

Viên Thiệu chiếm được toàn bộ Hà Bắc, thế lực càng trở nên mạnh mẽ. Người em Viên Thuật cát cứ ở Dương châu bị Tào Tháo đánh cho đại bại, muốn bỏ Hoài Nam lên Hà Bắc nương nhờ vào ông, xóa bỏ hiềm khích và nhường lại ngôi vua cho ông. Nhưng chạy đến nửa đường, Viên Thuật bị Lưu Bị (theo lệnh Tào Tháo) chặn đường đánh bại, phải quay về Hoài Nam và ốm chết.

Thủ hạ là của Viên Thiệu là Cảnh Bao khuyên ông nên xưng làm hoàng đế. Viên Thiệu mang việc đó ra bạn với các tướng, mọi người nhất loạt phản đối, đòi giết Cảnh Bao. Viên Thiệu đành mang Cảnh Bao ra giết[32].