外面，公孙瓒自觉不敌，本想逃走。结果刘虞的士兵不善于作战，又爱惜百姓的房屋，下令不许焚烧城池，一时间竟攻不下来。公孙瓒于是召集精锐勇士数百人，顺风纵火，火烧刘虞军营，趁势突袭。刘虞遂大败，向北逃至居庸县，又打算召乌桓、鲜卑来救自己。公孙瓒追击，三日城陷，抓住了刘虞，把刘虞和他的妻小带回蓟县，仍让他做傀儡管理州中事务。正赶上朝廷派使者段训来增加刘虞的封邑，让他掌管北方六州的事务，并拜公孙瓒为前将军，封易侯，假节督幽、并、青、冀四州。公孙瓒趁机诬陷刘虞之前与袁绍合谋要当皇帝，胁迫使者段训将刘虞斩首。故常山相孙瑾、掾张逸、张瓒等忠义愤发，相继前来看望刘虞，大骂公孙瓒，结果都被杀害。公孙瓒将刘虞的首级送到京都，半路被刘虞的故吏尾敦劫走安葬。刘虞在北方很得人心，他死后，幽州及流亡至此的百姓都痛哭流涕。
刘虞死后，其旧部鲜于辅、齐周、鲜于银推举阎柔为乌桓司马，与公孙瓒部将邹丹战于潞河之北，斩杀邹丹等四千余人。之后，乌桓峭王迎接刘虞子刘和，与袁绍军在兴平二年（195年）破公孙瓒于鲍丘，杀二万余人。