漢獻帝劉協想東歸洛陽，派劉虞之子劉和逃出長安，偷偷出武關去找劉虞，讓劉虞率兵前來相迎。劉和途經袁術駐地，將此事告知了袁術。袁術扣留了劉和，讓劉和給劉虞寫信，答應等劉虞率兵前來為袁術後援，一起赴長安。公孫瓚知道袁術會叛變而制止劉虞，劉虞不聽。公孫瓚擔心袁術知道後恨他，派他堂弟公孫越率千餘騎兵到袁術處相結好，而暗地又讓袁術扣留劉和並奪占劉和兵馬。因此，公孫瓚與劉虞的矛盾越來越深。
袁術遣公孫越幫助孫堅攻周昂，公孫越被流矢射中而死，公孫瓚怒道：「我弟之死，禍起於袁紹。」於是出兵駐紮在磐河（今河北境內）準備報復袁紹。袁紹非常驚恐，把渤海郡太守印交給了公孫瓚堂弟公孫范，派他到南皮，想以此與公孫瓚結援。公孫范於是背叛袁紹，以渤海兵力協助公孫瓚，攻破青州、徐州黃巾軍，兵勢日益強盛，進駐界橋（故址在今河北威縣境內）。公孫瓚自己任命嚴綱為冀州州牧，田楷為青州州牧，單經為兗州（今山東金鄉縣西北）州牧，並配置了郡守縣令。
公元192年（漢獻帝初平三年），袁紹屯軍廣川縣（今河北棗強縣東北），與公孫瓚戰於界橋南二十里處。公孫瓚有精兵三萬。袁紹命其將麴義領精兵八百在前，布強弩千張於兩翼。公孫瓚輕視袁紹兵少，縱騎兵出戰。麴義命士兵伏於楯下不動，等公孫瓚軍到十步前，一時同發，公孫瓚大敗。袁紹軍生擒了嚴綱並斬其首。麴義追公孫瓚到界橋，公孫瓚率兵還擊，再次被打敗。於是公孫瓚逃到薊縣（今北京大興區），在縣城東南另築小城自守，與劉虞臨近，漸漸結下仇恨。袁紹派部將崔巨業率兵攻打公孫瓚的故安，不下，在引軍南歸時，在巨馬水被公孫瓚大軍追上，大敗，七八千人陣亡。公孫瓚想乘勝追擊，卻又在龍湊被袁紹打敗，雙方戰成均勢。
公元193年（漢獻帝初平四年），劉虞擔心公孫瓚反叛，於是率兵十萬攻打公孫瓚。當時，公孫瓚的部曲放散在外，倉卒欲從東城逃走，劉虞的士兵不習戰，又下軍令不准騷擾百姓，久攻不下。公孫瓚於是招募精兵數百人，順著風勢放火，趁勢殺入劉虞兵營，劉虞大敗。劉虞與他的部下往北逃到居庸縣（今北京延慶東）。公孫瓚三天就攻破了居庸城，活捉劉虞及其妻子兒女回到薊縣。此時董卓已死，獻帝派使者段訓給劉虞增加封地，令其督統六州，陞遷公孫瓚為前將軍，封易侯。公孫瓚誣陷劉虞與袁紹謀取稱帝，脅迫段訓斬劉虞及其妻子兒女於薊市。公孫瓚將劉虞的首級送到京師，被劉虞的舊部下尾敦在路上劫走並安葬。公孫瓚殺了劉虞之後，得到了整個幽州，日益驕矜，不恤百姓，記過善忘，睚眥必報。
公元195年（漢獻帝興平二年），劉虞的從事漁陽鮮於輔、齊周、騎督尉鮮於銀等率幽州兵馬想為劉虞報仇，因燕國（今北京大興）閻柔素有恩義，他們便推舉閻柔為烏丸司馬。閻柔招集鮮卑、烏丸等兵馬，共得漢兵、胡兵數萬人，與公孫瓚所置漁陽太守鄒丹戰於潞河（今朝白河）之北，大敗公孫瓚軍，斬殺鄒丹。烏桓峭王也率其部落的人及鮮卑騎兵七千餘騎，隨鮮於輔迎接劉虞之子劉和與袁紹將麴義，合兵共十萬攻打公孫瓚，大敗公孫瓚於鮑丘，斬首二萬餘。於是，代郡、廣陽、上谷、右北平各殺公孫瓚所置長官，與鮮於輔、劉和兵聯合，公孫瓚屢戰屢敗，於是逃回易京（故址在今河北雄縣西北）堅守，開置屯田。兩軍相持一年有餘，麴義糧盡退兵，公孫瓚乘勢出擊，擊敗麴義，盡得其車重。
公元198年（漢獻帝建安三年），袁紹傳書給公孫瓚，想跟他釋和，公孫瓚沒有答覆，反而增強守備。袁紹於是大興兵攻打公孫瓚。先是公孫瓚一別將被圍，公孫瓚不肯相救，說：「救一人，那以後眾人都會只等救兵而不肯力戰。」等到袁紹來攻時，公孫瓚的界橋別營自度不能自救，而公孫瓚必不肯相救，眾人或降或逃。
袁紹直接攻到了城門前，公孫瓚派他的兒子公孫續向黑山（今河南浚縣西北）黃巾軍求救，又想親自率兵衝出重圍，佔據西南山，仰仗黑山軍，切斷袁紹軍的後路。長吏關靖勸諫他說：「現在您的將士都各懷叛離之心，已無力再戰，他們之所以能固守是顧惜他們的故鄉老少，而把將軍您當成主心骨，將軍如能持久堅守，袁紹自然會退兵，四方軍隊一定又可以會合了。若將軍現在棄易京而走，軍隊會失去後鎮，易京覆滅指日可待。將軍失去根基，流落荒野，怎麼成就事業呢？」公孫瓚於是決定不離開易京，等待其子搬來救兵，內外夾攻袁紹。
公元199年（漢獻帝建安四年）三月，黑山帥張燕與公孫續率兵十萬，分三路相救公孫瓚。援兵還沒到，公孫瓚秘密派人送信給公孫續，讓他率五千騎兵於北隰之中，舉火把為應，公孫瓚就從城內出戰。袁紹劫得了這封信，將計就計，舉起火把。公孫瓚以為救兵到了，率兵出擊。袁紹設伏兵襲擊公孫瓚，公孫瓚大敗，又回到城內堅守。袁紹於是掘地道到城樓下，毀壞其望樓，漸漸到達中央的土丘。公孫瓚自料必敗無疑，先殺掉自己的妻子、兒女，然後引火**。
陳壽曾經評價公孫瓚道：「瓚遂驕矜，記過忘善，多所賊害」；「公孫瓚保京，坐待夷滅。」
而此人如果用的好的話也算是一員良將，經過反覆思考，李忠還是決定接納公孫瓚，畢竟他李忠不是劉虞，他相信他自己有信心能夠降服他。
「涿郡公孫瓚拜見大人」，正在李忠沉思的時候，公孫瓚對李忠跪拜道。
「請起」，李忠對公孫瓚說道，「謝大人」，「不知伯珪這次隨謙過來是有什麼事嗎？」，李忠揣著明白裝個糊塗。」大人，瓚想到大人麾下為一卒，願為大人執鞭墜鐙」，公孫瓚對李忠誠懇的說道。
李忠看著他笑著搖了搖頭，「主公」，樂進見李忠搖搖頭，連忙叫道，李忠沒有理他，公孫瓚也是一片死灰，起身朝李忠一拜然後有些頹廢的離開。
「慢，伯珪這是何意『，李忠見公孫瓚要走，問道。「大人何必羞辱於我，瓚不過是
是回家而已」，語氣中還多有嘲諷和自嘲。
李忠苦笑搖搖頭，對他說道：「伯珪你誤會我的意思了，我之所以搖頭乃是因為你說為我執鞭墜鐙，你乃大將之才，豈能做這等事」。
公孫瓚聽完李忠的話後楞在了原地，有些不知所措，當然其中更多的是驚喜和激動。
樂進看公孫瓚楞在那裡，扯了扯他的衣袖，公孫瓚回過神來，連忙朝李忠下拜道：『公孫瓚拜見主公」，「請起」。
看了公孫瓚一眼，李忠很滿意，他有信心將他改變成一員良將。
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