Viên Thuật thu hết số quân ít ỏi còn lại chạy lên Nghiệp quận với Viên Thiệu. Tào Tháo sai Lưu Bị cùng Quan Vũ và Trương Phi mang hơn 1000 quân ra đón đánh ở đường lớn Từ châu.

Viên Thuật thực lực rất yếu, bị Lưu Bị đánh bại, phải quay về. Khi tới Giang Đình, cách Thọ Xuân 80 dặm, ông kiệt sức lâm bệnh nặng rồi thổ huyết qua đời lúc 45 tuổi. Viên Thuật làm hoàng đế tất cả trong 2 năm.

Em họ ông là Viên Dận đem theo quan tài Viên Thuật và quân đội họ Viên đến Hoãn Thành[15] nương tựa vào Thái thú Lư Giang là Lưu Huân vốn được Viên Thuật phong. Một bộ tướng của ông là Trương Huân và trưởng sử Dương Hoằng định đến địa bàn của Tôn Sách để theo hàng, nhưng bị Lưu Huân chặn đường giết chết. Ít lâu sau Lưu Huân bị Tôn Sách đánh đuổi, phải chạy lên phía bắc theo Tào Tháo. Thủ hạ của Viên Thuật là Từ Lục đem ngọc tỷ truyền quốc dâng cho Tào Tháo; gia đình Viên Thuật ở chỗ Lưu Huân đều bị quân Tôn Sách bắt giữ, mang về Giang Đông. Con trai ông là Viên Diệu được họ Tôn phong làm Lang trung, con gái sau được vào cung làm thiếp của Tôn Quyền.

Thế lực của Viên Thuật bị Tào Tháo và Tôn Sách thôn tính hoàn toàn.