回到曹操那里许褚详细述说了刘备的话。曹操犹豫不决程昱、郭嘉说：“刘备不肯回兵可见他心意已变。”曹操说：“我有朱灵、路昭二人在他那里料想刘备未必敢变心。况且我已经派遣了他怎么可以反悔呢？”于是不再追赶刘备。后人有诗赞叹刘备说：“束兵秣马去匆匆心念天言衣带中。撞破铁笼逃虎豹顿开金锁走蛟龙。”
马腾见刘备已经离去边境又告急也回到西凉州去了。刘备带兵到了徐州刺史车胄出来迎接。在公宴结束后孙乾、糜竺等人都来参见刘备。刘备回家探望老小同时派人去打探袁术的消息。探子回报说：“袁术奢侈过度雷薄、陈兰都投奔嵩山去了。袁术的势力已经衰落他写信把帝号让给了袁绍。袁绍派人去召见袁术袁术于是收拾人马和宫禁御用之物先到徐州来。”
刘备知道袁术即将到来，于是率领关羽、张飞、朱灵、路昭五万大军出城迎战。正好遇上袁术的先锋纪灵。张飞二话不说，直接冲向纪灵。两人交战不到十个回合，张飞大喝一声，将纪灵刺于马下，袁术的败军纷纷逃走。袁术亲自率军前来交战。
刘备分兵三路：朱灵、路昭在左，关羽、张飞在右，自己亲自率领中军。与袁术相见后，刘备在阵前大骂袁术反逆不道，并奉皇帝诏令前来讨伐。他要求袁术束手就擒，以免受更严厉的惩罚。袁术回骂刘备是织席编鞋的小辈，怎敢轻视他！于是指挥军队冲杀过来。
刘备暂时撤退，让左右两路军队杀出。这一战杀得袁术军尸横遍野、血流成河，士兵逃亡不计其数。袁术的军粮草料又被嵩山的雷薄、陈兰劫走。他想返回寿春，但又被群盗袭击，只得停留在江亭。此时他身边只剩下一千多名老弱残兵。
当时正值盛夏酷暑，粮食断绝，只剩下三十斛麦子供军士分配。由于家人没有食物，许多人饿死。袁术嫌饭粗糙难以下咽，于是命令厨师取蜜水止渴。但厨师回答说：“只有血水，哪有蜜水！”袁术听后坐在床上大叫一声，吐血而死。这是建安四年六月的事情。
袁术死后，他的侄子袁胤带着灵柩和家属逃往庐江，但被徐璆全部杀死。徐璆夺得袁术的传国玉玺后前往许都献给曹操。曹操非常高兴并封徐璆为高陵太守。至此玉玺归曹操所有。
刘备得知袁术已死的消息后上表奏报朝廷并写信告知曹操让朱灵、路昭返回许都留下军队保卫徐州。他自己则亲自出城招抚流散的百姓恢复生产。
朱灵、路昭回到许都向曹操复命说刘备留下了军队。曹操大怒想要斩首二人但荀彧为他们求情说权力已经归刘备所有二人也无能为力。于是曹操赦免了他们。荀彧又建议曹操写信给车胄密谋对付刘备。曹操采纳了他的建议暗中派人去见车胄传达密令。
车胄随即请陈登商议此事。陈登提出可以在刘备回城时设伏击杀他的建议并表示自己可以在城上射住刘备的后军以确保成功。车胄同意了这个计划。
然而陈登回去后却将此事告诉了他的父亲陈珪。陈珪命令陈登先去通知刘备。陈登于是快马加鞭赶去报信正好遇上关羽和张飞将情况告诉了他们。原来关羽和张飞已经先回到徐州而刘备还在城外。
张飞听说要厮杀便想要立即行动但关羽制止了他并提出了一个计策：趁夜假扮成曹军到徐州引车胄出城迎接然后趁机杀了他。张飞同意了这个计划。
当夜三更时分关羽等人带着原本就有的曹操旗号衣甲来到徐州城边叫门。城上守军问是谁关羽等人回答是曹丞相差来张文远的人马。车胄得知消息后急忙请陈登商议对策但陈登此时已经不在城中。
车胄犹豫不决担心有诈但又怕真的是曹操的人马于是上城回话说天黑难以分辨等到天亮再见。但城下的人却回答说只怕刘备知道此事要求立即开门。车胄无奈只得披挂上马带领一千名士兵出城迎接。
当车胄跑过吊桥时只见关羽提刀纵马直迎上来大叫：“匹夫竟敢欺诈要杀我兄长！”车胄大惊失色交战不到几个回合就遮拦不住拨马往回逃。当他逃到吊桥边时城上的陈登乱箭射下他只得绕城而逃。关羽紧追不舍手起一刀将车胄砍于马下割下他的首级提回城上高呼：“反贼车胄已经被我杀了！众人无罪投降免死！”众军士纷纷倒戈投降徐州军民都安定了下来。
关羽将车胄的首级拿去迎接刘备，详细叙述了车胄想要加害刘备的事情，并且告知车胄已经被斩首。刘备听后大吃一惊，说：“如果曹操亲自前来，我们该如何应对？”关羽回答说：“我和张飞会前去迎战。”刘备对此深感懊悔，随后进入徐州城。
徐州城的百姓和父老们都跪在道路两旁迎接刘备。刘备进入州府后，立刻寻找张飞。张飞已经将车胄全家杀尽。刘备对张飞说：“我们杀了曹操的心腹之人，他肯定不会善罢甘休。”陈登此时站出来说：“我有一个计策，可以退去曹操的军队。”
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