公元198年(建安三年)，袁紹傾力進攻。公孫瓚派到南境營寨防守的將領，自知堅守不住，又知必定不會有人援救，於是有的投降，有的潰散。袁紹大軍長驅直入，到達易京城門。公孫瓚派兒子公孫續向黑山軍的將領們求援，並準備自己率領精銳騎兵出城，奔往西山，帶領黑山軍反攻冀州，切斷袁紹的退路。關靖勸阻公孫瓚說：「如今將軍部下將士無不懷著離散之心，所以還能堅守，只是因為顧念全家老少都在這裡，而且依賴將軍在此主持大局。繼續堅守，拖延時日，或許能使袁紹知難自退。如果將軍捨棄他們，率兵出城，後方無人作主，易京的陷落，便指日可待。」公孫瓚於是放棄出城打算。袁紹大軍逐漸進逼，公孫瓚部眾日益窘迫。
公元199年(建安四年)春天，黑山軍首領張燕與公孫續率兵十萬，分三路援救公孫瓚，張燕的援軍還未到，公孫瓚秘密派使者送信給公孫續，讓他率五千鐵騎到北方低窪地區埋伏，點火作為信號，公孫瓚打算自己出城夾擊袁紹圍城部隊。袁紹的巡邏兵得到這封書信，袁紹就按期舉火，公孫瓚以為援軍已到，就率軍出戰。袁紹的伏兵發動進攻，公孫瓚大敗，回城繼續堅守。袁紹圍城部隊挖掘地道，挖到公孫瓚部隊固守的城樓下，用木柱撐住，估計已挖到城樓的一半，便縱火燒燬木柱，城樓就倒塌了。袁紹用這種方法逐漸攻到公孫瓚所住的中京。
自料必定不能倖免，就絞死自己的姊妹、妻子兒女，然後放火自焚。袁紹催促士兵登上高台，斬公孫瓚。田楷戰死。關靖歎息說：「以前，如果不是我阻止將軍自己出城，未必沒有希望。我聽說君子使別人陷入危難時，自己一定與他分擔患難，怎麼能自己獨自逃生呢!」就騎馬衝入袁紹軍中而死。公孫續被匈奴屠各部殺死。 袁紹擁有冀、青、并州及幽州大部，成為當時中國北方最強的割據勢力，並開始了大舉南進的準備。
袁紹於此戰中成功統一河北，再無後顧之憂，並兼併公孫瓚的軍隊和獲得公孫瓚在易京囤積的三百萬斛軍糧，實力大增，意欲南向以爭天下。