初平二年（191），青、徐黄巾三十万众进入渤海（郡治在今河北南皮），攻杀郡吏，火攻官府，并且积极向河北起义军黑山军靠拢。公孙瓒率步骑二万前往镇压，这给他带来了扩张势力的机会。公孙瓒军在东光县（今河北东光）南，以逸待劳阻击黄巾军。尽管黄巾军英勇奋战，但终敌不过训练有素的公孙瓒军，牺牲三万余人，只得弃其辎重，奔走渡河。公孙瓒又趁黄巾渡河时发起猛攻，俘获六七万人，夺得车甲财物不可胜数。朝廷闻捷，升迁公孙瓒为奋武将军，封蓟侯。这时，公孙瓒实力已在刘虞之上。

刘虞为政，“务存宽政，劝督农植”（《后汉书·刘虞传》）。他又在边地开互市，在境内整顿盐铁生产，一时幽州各民族呈现一派和睦太平景象，吸引青、徐二州许多流民迁入幽州。刘虞在民众中的声望日增，这更引起了公孙瓒的嫉恨。

瓒、刘矛盾的公开化，由刘虞勤王事件而爆发。刘虞子刘和在朝廷任侍中，汉献帝在长安想挣脱董卓的控制，派刘和偷出武关（今陕西丹凤东南），绕道回幽州，令刘虞率兵勤王。刘和在南阳被袁术扣留，只好写信给刘虞望急速发兵救天子。公孙瓒认为书从袁术处来，另有意图，阻止发兵。刘虞救天子心切，不听公孙瓒话，发兵数千骑。公孙瓒思谋袁术怨恨报复，于是使出一箭双雕的花招。表面上，他也派从弟公孙越率千骑到袁术处，合兵奉迎天子；暗中却怂恿袁术逮捕刘和，兼并刘虞兵马。刘和闻讯，星夜逃亡，被袁绍收留。而公孙越却被袁术派去攻打袁绍，战死。这样，不仅刘、瓒矛盾激化，仇怨益深，而且公孙瓒与袁绍又起了矛盾，情况更加复杂。

刘虞眼看公孙瓒桀骜不驯，如此发展下去，要危及自己的权位，因而采取相应措施，加以制止。于是，刘、瓒之间的控制与反控制的斗争更为激烈。公孙瓒要攻打仇敌袁绍，刘虞不准，并且从军备供应上卡住其手脚。公孙瓒当然不会俯首听命，于是处处同刘虞作对。刘虞要安抚塞外乌桓、鲜卑，公孙瓒却经常派兵追歼；刘虞要保护百姓利益，公孙瓒部下却每每侵扰，百姓叫苦连天。更使刘虞头痛的是公孙瓒多次派兵在半路抄夺刘虞赏与乌桓的财货，使民族关系甚为紧张。刘虞无可奈何，只得向朝廷上奏陈述公孙瓒的暴掠之罪。公孙瓒得知，马上反咬一口，也上奏章诬刘虞不能按时供应军粮。双方相互诋毁，势如水火，而东汉朝廷软弱无能，只好从中调和，不能决出是非曲直。刘、瓒之间最后摊牌只是时间问题了。

公孙瓒为防备刘虞吃掉他，在蓟城东南筑小城，伺机发难。刘虞本想和解，数次请公孙瓒相会议事，瓒托病推辞。刘虞气愤不已，决心诉诸武力，除掉这心腹大患。东曹掾魏攸对刘虞说：“现今天下以你最和人心，但你手下也离不开谋士武将，否则缺乏足够的力量。况且公孙瓒文武双全，即使有小恶，也应容忍才是。”魏攸虽然暂时打消了刘虞的想法，但不久他就死去，于是刘虞消灭公孙瓒的想法无人再行劝阻。初平四年（193）冬，刘虞认为矛盾无法调和，箭在弦上，不得不发，他趁公孙瓒的部曲属下放散在外，势单力薄的机会，亲率各部兵众十万讨伐公孙瓒。刘虞军蜂拥而至，将公孙瓒的小城围得水泄不通。虽然州从事公孙纪事先已向公孙瓒通风报信，但为时已晚。公孙瓒见来势凶猛，知道凶多吉少，打算从城东掘地道逃走，可是他很快发现了刘虞军的短处。原来久经沙场的公孙瓒发现刘虞兵马虽多，但很多士兵未真正打过仗，加之指挥不力，似乌合之众。公孙瓒又发现刘虞过于迂腐，本来只要火攻，小城当即拿下，但刘虞命令不准焚烧，再三告诫：“无伤余人，杀一伯珪而已。”公孙瓒当即征募勇士数百，命顺风势纵火，径直向刘虞军队冲杀。刘虞军本系临时拼凑，哪能抵挡得住？于是阵脚大乱，士兵纷纷溃逃，刘虞逃到居庸（今北京昌平），公孙瓒乘胜追击，攻破居庸，俘虏了刘虞和他的全家老小，然后班师回蓟，尽有幽州。适逢董卓死，天子遣使者段训前来宣诏：增置刘虞封邑，督六州事；并任瓒为前将军，封易侯，假节督幽、并、青、冀四州。此时，公孙瓒趾高气扬，哪肯依顺？他正欲独霸幽州，将刘虞置于死地而后快。于是，他诬刘虞曾与袁绍联络，欲称尊号，夺幼主之位，理应处死。在公孙瓒百般威胁利诱下，段训别无他法，只好眼睁睁看着刘虞被斩杀。刘虞死后，公孙瓒马上上表委段训为幽州刺史，自置并、青、冀州官职。由此，公孙瓒与袁绍的矛盾急剧上升。