Nắm ngọc tỷ truyền quốc trong tay, năm 196, Viên Thuật muốn xưng đế. Ông tin vào lời đồng dao: "Đại Hán giả, Dương đồ cao", nghĩa là "Thay nhà Hán là đường cao". Ông cho rằng ông họ Viên, là con cháu Hiên Thọ Đồ thời Xuân Thu[12], ứng với chữ Đồ; tên tự của ông là Công Lộ cũng mang nghĩa là đường cao, nên ứng vào câu đó. Vì vậy ông quyết tâm làm vua. Tôn Sách viết thư khuyên ông không nên như vậy nhưng ông không nghe theo. Tôn Sách bèn tuyệt giao với ông.

Năm 197, Viên Thuật chính thức xưng làm hoàng đế, tự xưng là Trọng Gia, đóng đô ở Thọ Xuân thuộc quận Cửu Giang, lập vợ làm hoàng hậu, phong con trai, con gái làm hoàng tử, công chúa, thiết lập trăm quan. Thực lực của ông khi đó chỉ có 2 quận Cửu Giang và Lư Giang[13], nghĩa là không có đến một nửa địa bàn Dương châu. Thế lực của ông không bằng thế lực của các chư hầu như Tào Tháo, Viên Thiệu, Lưu Biểu... mà Viên Thuật lại ở trong thế đương đầu cả cùng lúc với các chư hầu này.

Viên Thuật tìm kiếm đồng minh, bèn sai người đến xin Lã Bố ở Từ châu kết thông gia, để con gái họ Lã lấy thái tử con trai mình. Nhưng Lã Bố không muốn theo ông nên bắt sứ giả của ông giao cho Tào Tháo. Tào Tháo phong Lã Bố làm Tả tướng quân. Viên Thuật nổi giận sai Trương Huân thống suất 7 đạo quân cùng các tướng của quân khởi nghĩa Khăn Vàng cũ là Dương Phụng, Hàn Tiêm đi đánh Lã Bố. Lã Bố ngầm liên kết với Tiêm và Phụng trở giáo đánh lại quân Viên Thuật. Đại quân Trương Huân tan vỡ.

Tào Tháo sai người đến Giang Đông liên kết với Tôn Sách, đề nghị không chi viện cho Viên Thuật. Sau đó Tào Tháo dẫn đại quân đích thân đi đánh Thọ Xuân. Viên Thuật ra đánh bị thua to, tướng Kiều Dị tử trận.

Trong tình thế nguy cấp, Viên Thuật may mắn thoát nạn. Lã Bố và Tào Tháo trở mặt đánh nhau. Cùng lúc Tào Tháo phải đương đầu cả với Trương Tú ở Nam Dương. Vì thế Viên Thuật được yên ổn ở Hoài Nam. Tuy nhiên, ông không biết tranh thủ thời gian hơn 1 năm để củng cố thực lực mà tiếp tục sống xa hoa, xây dựng nhiều cung điện, tuyển chọn phi tần, ăn tiêu xa xỉ[14].

Năm 198, Tào Tháo diệt được Lã Bố, vươn địa bàn tới Từ châu, giáp với địa hạt của Viên Thuật. Trước mặt sau lưng đều có địch, Viên Thuật hoảng sợ. Năm 199, ông đốt cung điện Thọ Xuân chạy tới Tiềm Sơn theo thủ hạ cũ là Lôi Bạc nhưng Lôi Bạc đóng cửa thành không đón. Viên Thuật đành chạy sang với thủ hạ cũ khác là Trần Lan, nhưng cũng bị cự tuyệt.

Viên Thuật cùng đường, đành làm lành với Viên Thiệu khi đó đang hùng cứ 4 châu Thanh, U, Tinh, Ký ở Hà Bắc. Ông viết thư cho Viên Thiệu và xin nhường lại ngôi hoàng đế cho anh. Viên Thiệu chấp thuận, sai người chuẩn bị đón tiếp.