此時，曹操與呂布刀兵又起。曹操見金旋接連攻城掠地，聲威顯赫，西川、荊襄均非其敵，其勢欲來欲大。曹操急欲擴大地盤，增長勢力，本想先西征張魯、馬騰，然後攻下西川，限制金旋勢力，擔心呂布、袁紹乘虛前來相攻，一時猶豫不決。
徐州、下邳兩郡此時因為天旱歉收，呂布軍中缺糧，其手下部將高順領兵攻打譙城東部各縣，奪取縣城糧草以自給。曹操以此為借口，親自掛帥，率領十萬大軍攻打濮陽。又命夏侯淳為大將，程昱為軍師，率領五萬精兵屯紮定陶，阻擊徐州援軍。
呂布此時共擁精兵十三萬，徐州守軍六萬，下邳守軍三萬，濮陽守軍三萬，都陽守軍一萬。濮陽守將臧霸，見曹操兵多將廣，會集副將卞喜、程遠志商議。
卞喜道：「曹操兵力強盛，又派大將駐守定陶，徐州援軍必然不能及時趕到。若是主公親自率軍與定陶曹兵相戰，勝多負少。主公若能攻下定陶，截斷曹操所部大軍退路，曹軍必然心慌，我軍之圍自解。」
臧霸聽其所言有理，一面派人火趕往徐州告急，一面領兵固守不戰，等待定陶消息。曹操屢施誘兵之計，臧霸只是不理。無奈之下，曹操統軍猛攻幾次，卻因城牆堅固，守軍用心，反而損折不少士兵。
呂布聞訊，會文武相商，陳宮道：「曹操兵力雖然多出濮陽守軍，若是臧霸只守不戰，倚靠城堅固守，必可支撐一段時間。夏侯淳所部屯於定陶，除阻擊我軍支援濮陽外，尚有保護曹操所部退路的目的。若我軍集兵奪下定陶，曹操歸路已失，反而處於不利局面。」
呂布聽從陳宮之言，調下邳守軍一萬五千兵馬趕赴徐州，徐州兵力達到七萬餘眾。呂布命高順、孫登統領所部兩萬餘士兵駐守徐州，自與張遼、陳宮率領五萬精軍攻打定陶。
呂布大軍來到定陶城下，夏侯淳、程昱統兵出戰，兩軍兵力相若，實力相當，交戰激烈異常。呂布英猛無敵，血戰之中，見夏侯淳在不遠處廝殺，提戟徑往他殺去。夏侯淳武藝雖高，與呂布相比，卻稍遜一籌，交手三十餘合，夏侯淳漸覺氣力不加，回馬往後退去。
陳宮在後觀戰，見此良機，命士兵齊呼道：「曹軍已經敗退，我軍必勝。」呂布所部士氣大振，而曹軍士氣低落，再戰一刻，曹軍漸覺不支，軍陣潰散，程昱見勢不妙，鳴金守兵，退入定陶。
夏侯淳戰大敗，與程昱商議，程昱道：「主公現在攻打濮陽正急，若我等堅守不戰，呂布所部繞路而去，與濮陽守軍兩路夾擊，主公危矣。我軍雖敗，實力仍在，只做纏戰，使其不能援救，便可達到拖住其援軍的目的。」
夏侯淳派人急報曹操，細述定陶戰狀。曹操重兵攻打濮陽多日，臧霸精於防守，一時難下，因為定陶關係大軍退路，命令大將李典率領二萬精兵往援。
曹軍援兵趕到，定陶守軍勢力猛增，軍力已勝過呂布所部，與呂布所部相戰幾場，互有勝負。陳營見此，入見呂布道：「曹軍兵勢，程昱多謀，不若讓張遼率領所部分營立寨，以為呼應。」呂布使張遼領兵兩萬在大營東五里處紮寨。
夏侯淳與諸將商議。程昱曰：「呂布英勇，諸將不敵。若使李典率領一萬精兵詐攻徐州，呂布及諸將家小皆居於徐州，軍心必然動搖。待呂布分兵往救，夏侯將軍引兵劫奪其營，必可取勝。」
夏侯淳依計讓李典領兵繞路往攻徐州，呂布聞訊大驚，急召陳宮商議。陳宮笑道：「此程昱分兵之計。我等可將計就計，高順率領一萬精兵出徐州，張遼率領兩萬精兵從後追擊，兩路夾擊，李典必然不敵。主公率領全營士兵分頭埋伏，留下空營等待曹軍前來劫營。曹兵兵力雖然強於我軍，也必會失敗。」
呂布升帳頒下軍令，高順所部出徐州，張遼所部追擊李典軍。高順所部於半途逢遇李典軍，兩軍兵力相若，相戰正是激烈之時，張遼精兵從李典身後殺來，與高順所部夾擊，李典所部大敗，共損折士兵三千餘。
夏侯淳在營中等候消息，聞張遼所部精兵盡出，不由大喜，以為呂布墜其計中，入夜後率領四萬精兵前去劫營。呂布營中，四周漆黑，只有中間幾處軍帳隱約有些燈光，曹軍前軍安然進營，直撲燈光亮處，見是一座空營，正在退軍之時，衝動夏侯淳中軍。
正在曹軍擁擠混亂之時，呂布、陳宮伏兵從左右兩側突起，夏侯淳猝不及防，黑夜裡又擺不成陣勢，被呂布部下衝潰隊形。夏侯淳殺出一條血路，敗往定陶，呂布馬快，率所部騎兵緊隨其後。
夏侯淳進入定陶，剛喘一口粗氣，黑暗裡呂布搶進城門。夏侯淳、程昱見呂布精騎入城，源源不絕，不知呂布虛雨，兩人略一商議，決定放棄定陶退往陳留。
曹操聞定陶兵敗，召眾人相商。郭嘉道：「濮陽所賴者，臧霸也，可偽撤兵全力進攻定陶，引誘臧霸出城，設伏兵將其生擒。濮陽若無臧霸，其城立可下也。」
曹操對外宣稱撤軍，重兵奪回定陶，讓各營準備撤軍。暗命夏侯淵、樂進、徐晃、於禁四將，率領所部分頭埋伏。
臧霸聞定陶大勝，以為曹操必會撤軍，想借其退軍之時，襲擊其後軍。於是集重兵追擊，在半途為夏侯淵等四將伏兵阻斷退路，前面曹操又引兵殺回，臧霸率領部下死戰，力盡被夏侯淵生擒，被郭嘉說降。
曹操得臧霸這員虎將，對其寵愛有加，將幼妹曹榮下嫁於他。臧霸感激不盡，自請回城招降濮陽守軍，卞喜、程遠志兩將隨臧霸日久，一併帶兵出降。
曹操盡得濮陽之眾，在濮陽城內整軍半月，軍政諸事得臧霸之力，迅整頓完畢。曹操意要恢復定陶，命令夏侯淵所部駐守濮陽，夏侯淳、李典率領五萬兵馬出陳留，自率八萬精兵出濮陽，共十三萬兵馬攻擊定陶。
呂布聞濮陽陷落，臧霸所部全軍覆滅，大驚失色，意欲撤軍，全力保護徐州。陳宮勸道：「濮陽已失，定陶為徐州保障，若是定陶不能保全，曹操重兵直指徐州，徐州城內糧草不濟，必然不能久守。」呂布不聽，吩咐棄守定陶，全軍返回徐州。陳宮心知呂布必敗，欲要亡去，但因相隨日久，不忍棄之。
曹操垂手復得定陶，留下樂進所部二萬兵駐守，起兵十三萬攻打徐州。呂佈兵力尚存九萬，徐州守軍共有七萬，加兩萬兵馬分駐下邳、都陽。
兩軍皆準備妥當，列陣決戰。呂布策馬出陣挑戰，徐晃迎上前去，兩將交手未及十合，徐晃氣力不支，敗下陣來。夏侯淵、於禁、李典、曹洪四將齊出，上前夾攻，呂布精神倍加，力敵四將。陳宮見狀，命令高順、張遼出馬相助，四將抵擋不住，退回本陣。
陳宮見曹軍士氣低迷，統兵往前掩殺。呂布衝鋒之時，猛然看見曹操，策馬直衝過來，幾員曹將被其殺得心寒，隨曹操往後退去，主將退卻，曹兵隨即潰散。曹軍大敗，死傷無數，退回三十里方止住敗兵，聚齊眾將，重新下寨。
呂布見曹操雖敗，然其兵多將廣，甚為難敵，與陳宮商議。陳宮曰：「當今天下，能與曹操相抗衡者，唯金旋、袁紹也。金旋與劉表、劉焉交戰日久，無暇顧及。能援救主公者，僅有袁紹一路兵馬，可遣使急赴南皮，說服袁紹出兵攻打曹操後方。徐州之圍可立以解。」呂布隨命孫登急赴南皮懇請袁紹出兵。
呂布神勇，曹軍諸將莫敵，徐州城防堅固，不易攻取，曹操意欲退兵。郭嘉勸道：「呂布，世之猛虎。現今兵少糧盡，正是危難之時。倘若假以時日，使其元氣恢復，後患無窮也。」
曹操聽言醒悟，召集眾人相議。荀攸曰：「今連降暴雨，徐州城南河水為患，可以決堤導水入城，徐州頓成水澤之地，不戰自亂也。」
曹操命令各營屯於高處，決堤導水灌入徐州。陳宮見徐州不可守，勸呂布棄城退至都陽。呂布命令張遼率領三萬精兵保護諸將家小先行遷往小邳。