Viên Thiệu liên tiếp thất bại, lực lượng và nhuệ khí đều mất. Ông buồn rầu sinh bệnh nặng, mãi không gượng dậy nổi.

Tháng 5 năm 202, Tào Tháo lại dẫn quân truy kích Viên Thiệu ở Lê Dương. Do đang nằm bệnh, Viên Thiệu sai con là Viên Thượng đem quân nghênh chiến đồng thời cho Viên Đàm và Cao Cán đem quân đi chi viện cho Viên Thượng. Nhưng Viên Thượng chủ quan khinh địch, không đợi Viên Đàm và Cao Cán, tự mình đem quân tới Lê Dương nên bị quân Tào đánh bại. Viên Thiệu nghe tin này thì quá sốc, bệnh không qua khỏi, thổ huyết qua đời, thọ 49 tuổi. Sau khi ông mất, nhân dân Hà Bắc rất thương cảm, ngoài chợ búa đều có người khóc, vì khi sống ông đã cai trị 4 châu bằng chính sách khoan hòa[43].

Vì yêu quý người con thứ 3 là Viên Thượng, ông để lại di chúc truyền ngôi kế vị cho Viên Thượng. Con lớn Viên Đàm không bằng lòng, anh em xảy ra tranh chấp. Đến năm 207, anh em họ Viên bị Tào Tháo tiêu diệt, thôn tính toàn bộ Hà Bắc.