公元198年(建安三年)，袁绍倾力进攻。公孙瓒派到南境营寨防守的将领，自知坚守不住，又知必定不会有人援救，于是有的投降，有的溃散。袁绍大军长驱直入，到达易京城门。公孙瓒派儿子公孙续向黑山军的将领们求援，并准备自己率领精锐骑兵出城，奔往西山，带领黑山军反攻冀州，切断袁绍的退路。关靖劝阻公孙瓒说：“如今将军部下将士无不怀着离散之心，所以还能坚守，只是因为顾念全家老少都在这里，而且依赖将军在此主持大局。继续坚守，拖延时日，或许能使袁绍知难自退。如果将军舍弃他们，率兵出城，后方无人作主，易京的陷落，便指日可待。”公孙瓒于是放弃出城打算。袁绍大军逐渐进逼，公孙瓒部众日益窘迫。
公元199年(建安四年)春天，黑山军首领张燕与公孙续率兵十万，分三路援救公孙瓒，张燕的援军还未到，公孙瓒秘密派使者送信给公孙续，让他率五千铁骑到北方低洼地区埋伏，点火作为信号，公孙瓒打算自己出城夹击袁绍围城部队。袁绍的巡逻兵得到这封书信，袁绍就按期举火，公孙瓒以为援军已到，就率军出战。袁绍的伏兵发动进攻，公孙瓒大败，回城继续坚守。袁绍围城部队挖掘地道，挖到公孙瓒部队固守的城楼下，用木柱撑住，估计已挖到城楼的一半，便纵火烧毁木柱，城楼就倒塌了。袁绍用这种方法逐渐攻到公孙瓒所住的中京。
自料必定不能幸免，就绞死自己的姊妹、妻子儿女，然后放火自焚。袁绍催促士兵登上高台，斩公孙瓒。田楷战死。关靖叹息说：“以前，如果不是我阻止将军自己出城，未必没有希望。我听说君子使别人陷入危难时，自己一定与他分担患难，怎么能自己独自逃生呢!”就骑马冲入袁绍军中而死。公孙续被匈奴屠各部杀死。 袁绍拥有冀、青、并州及幽州大部，成为当时中国北方最强的割据势力，并开始了大举南进的准备。
袁绍于此战中成功统一河北，再无后顾之忧，并兼并公孙瓒的军队和获得公孙瓒在易京囤积的三百万斛军粮，实力大增，意欲南向以争天下。