Anh em Viên Thiệu và Viên Thuật chia rẽ thành thù hận. Viên Thiệu liên kết với Thứ sử Kinh châu là Lưu Biểu trấn thủ ở địa bàn gần địa bàn Nam Dương của Viên Thuật để chống lại Thuật; còn Thuật liên kết với Tôn Kiên ở Trường Sa chống Viên Thiệu. Sau đó nhân sự việc ở Ký châu, Viên Thuật cũng sai người đến liên minh với Công Tôn Toản để chống Viên Thiệu. Trong thư gửi Toản, Viên Thuật viết:

Điều đó khiến Viên Thiệu càng tức giận.

Đổng Trác cưỡng bức vua Hán Hiến Đế cùng dân chúng chạy sang Trường An. Lúc đó con trai Lưu Ngu là Lưu Hòa đang làm Thị trung bên cạnh Hán Hiến Đế, vua Hiến Đế muốn quay trở về đông đô Lạc Dương, sai Lưu Hòa cải trang, trốn thoát khỏi Trường An, định tìm đến U châu gọi Lưu Ngu về hộ giá. Nhưng Lưu Hòa ra khỏi Quan Trung tới Nam Dương thì bị Viên Thuật giữ lại. Ít lâu sau Lưu Hòa trốn thoát khỏi chỗ Viên Thuật, nhưng lên tới Ký châu thuộc Hà Bắc thì lại bị Viên Thiệu bắt giữ.

Công Tôn Toản phái em họ là Công Tôn Việt mang 1000 kị binh tới chỗ Viên Thuật ở Nam Dương. Viên Thuật sai Công Tôn Việt mang quân đi giúp Tôn Kiên đánh bộ tướng của Viên Thiệu là Chu Hân. Việt trúng tên của quân Viên Thiệu và tử trận, vì vậy Công Tôn Toản càng hận Viên Thiệu giết em mình.

Để báo thù Viên Thiệu, tháng 12 năm 191, Công Tôn Toản dâng biểu về triều đình do Đổng Trác thao túng, kể 10 tội của họ Viên, rồi khởi binh đánh luôn các quận Ký châu để mở rộng địa bàn. Nhiều nơi bỏ Viên Thiệu theo hàng Công Tôn Toản.

Công Tôn Toản có người em là Công Tôn Phạm đang phục vụ dưới quyền Viên Thiệu. Viên Thiệu từ khi giành chức Châu mục Ký châu vẫn kiêm chức Thái thú Bột Hải do Đổng Trác phong, lúc đó để giảng hòa với Công Tôn Toản bèn trao ấn Thái thú Bột Hải cho Công Tôn Phạm, muốn nhờ Phạm đứng ra điều đình giảng hòa với Công Tôn Toản.

Nhưng Công Tôn Phạm được quận Bột Hải không đứng ra điều đình mà điều động binh mã giúp anh chống lại Viên Thiệu. Công Tôn Toản bèn tự mình bổ nhiệm cho thủ hạ làm Thứ sử 3 châu Thanh, Ký, Duyện và sai các thủ hạ khác đi làm quận thú, huyện lệnh các nơi.

Tháng giêng năm 192, Viên Thiệu tức giận bèn khởi đại quân đi đánh Công Tôn Toản. Hai bên gặp nhau ở Giới Kiều[19]. Công Tôn Toản thống lĩnh 3 vạn quân, xếp thành hình vuông đón đánh Viên Thiệu. Viên Thiệu sai Khúc Nghĩa mang 800 kị binh đi tiên phong.

Công Tôn Toản coi thường Khúc Nghĩa ít quân bèn phái kị binh xông lại vây đánh. Khúc Nghĩa dùng trận pháp của người Khương, 800 kị binh tinh nhuệ đánh bại kị binh của Công Tôn Toản, bắt giết Nghiêm Cương - Thứ sử Ký châu do Toản bổ nhiệm. Công Tôn Toản dẫn quân bỏ chạy, sau đó thu tàn quân lại giao chiến một trận nữa vẫn bị Khúc Nghĩa đánh bại.

Viên Thiệu ở phía sau trận, thấy Công Tôn Toản bại binh, yên tâm xuống ngựa tháo yên không phòng bị. Đột nhiên Toản cùng hơn 2000 kị binh xông đến, bao vây ông. Lúc đó ông chỉ có hơn trăm quân, tình thế nguy cấp. Mưu sĩ Điền Phong dìu ông nấp vào bức tường đất. Ông cởi bỏ mũ chiến ném xuống đất, hô hào tướng sĩ quyết chiến. Các cung thủ theo lệnh nhất loạt bắn ra. Quân Công Tôn Toản nhiều người bị trúng tên, bản thân Toản cũng không biết người trong vòng vây là Viên Thiệu nên giãn vòng vây dần. Đúng lúc đó Khúc Nghĩa mang quân tới cứu, Toản phải lui binh.

Công Tôn Toản sau đó mang quân trở lại đánh Long Tấu quấy rối nhưng cũng bị Viên Thiệu đánh lui. Công Tôn Toản đành rút quân về U châu.

Viên Thiệu sai Thôi Cự Nghiệp mang mấy vạn quân vây đánh thành Cố An của Công Tôn Toản nhưng không hạ được, phải lui về phía nam. Công Tôn Toản bèn mang 3 vạn quân kị truy kích đến sông Cự Mã, đại phá Thôi Cự Nghiệp, giết và đánh bị thương hơn 6.000 người[20]. Sau đó Toản thẳng tiến về nam hạ các thành trì, tới Bình Nguyên và cho Thứ sử Thanh châu Điền Khải do mình sắp xếp chiếm cứ đất Tề (Sơn Đông).

Tháng giêng năm 193, Viên Thiệu bổ nhiệm Tang Hồng làm Thứ sử Thanh châu để đối đầu với Điền Khải. Để hỗ trợ Điền Khải chống Tang Hồng, Công Tôn Toản sai Lưu Bị và Triệu Vân mang quân giúp sức. Hai bên đánh nhau, giằng co lâu ngày không phân thắng bại, ăn cạn lương thực nên cùng phải đi cướp bóc các nơi làm đồng ruộng đồng cỏ đều bị phá[20].

Lý Thôi (quyền thần thay Đổng Trác ở Trường An) nhân danh Hán Hiến Đế phái Thái bộc Triệu Kỳ đến hòa giải hai người. Công Tôn Toản thấy không thể thắng Viên Thiệu bèn quyết định giảng hòa. Ông viết thư cho Viên Thiệu với lời lẽ hạ mình. Hai bên bằng lòng giảng hòa lui binh.