公孫瓚奉命征討烏桓時，劉虞的節度。公孫瓚只注重自己的部隊強大，放任部曲侵擾百姓，而劉虞注重仁政，很關百姓，於是與公孫瓚之間逐漸出現了矛盾。
當時，天下群雄起兵討伐董卓。議者認為，漢靈帝劉宏失道，致使天下叛。漢獻帝劉協年，是賊臣董卓所立，遠在長安，又不識母氏所出。關東和長安遠隔關塞，不知存亡，天下心無所歸。而幽州牧劉虞宿有德，是宗室中最賢明的，袁紹、韓馥等人便準備擁立他為皇帝。 【13】 【38】
韓馥為立劉虞為帝，寫信給袁說當今天子不是孝靈皇帝劉宏的兒子，自己打算依照絳侯周、潁侯灌嬰誅廢帝劉弘迎立代王劉恆故事；又稱劉虞的功德治行，華夏二，當今公室枝屬無人能比得上他。還說：“過去武帝距離長沙定王五世，以大司馬領河北，耿弇、馮異勸他即尊號，卒代更始。如今劉公（劉虞）是東海恭王（劉強）的後代，與恭王也相隔五世，他以大司馬領幽州牧，這就和武帝的況相同。”當時有四星會於箕尾，韓馥聲稱有讖語說“神人將在燕分。”又說濟男子王定得到玉印，文曰“虞為天子”，還說見到代郡出現兩個太，是劉虞代立的徵兆。 【31】
初平二年（191年）春季 【39】，韓馥、袁紹派前樂浪太守甘陵人張岐等人帶著提案，勸劉虞稱帝。劉虞正厲聲呵斥張岐等人道：“你怎敢出此言！如今天下崩，主上蒙塵。我重恩，卻不能盡忠孝之道，未能竭命清雪國恥。還與諸州郡忠烈義士戮力向西，迎回主。諸君各擁州郡，應該盡忠王室，豈能如此心懷逆謀，玷汙忠臣呢！”袁紹等人又勸劉虞領尚書事，承製封拜，劉虞不聽，圖奔往匈奴以斷絕關係，袁紹等人才作罷。但劉虞仍與袁紹他們聯合。之後，劉虞奉職修貢，對朝廷更加恭肅；各國各族向朝廷進貢，道路不通，劉虞都幫他們送到京城。 【13】 【31】 【40】（另一說，韓馥等人請劉虞領尚書事，劉虞將使者收斬。 【13】）
當時，漢獻帝劉協在長安，劉虞派田疇與鮮于銀出使長安。劉協想要東歸，見到田疇等人後非常高興。當時劉虞的兒子劉和在皇帝邊做侍中，於是劉協派他地潛出武關，去找劉虞讓他帶兵來救。劉和途經南，向後將軍袁說明天子之意，結果反被袁扣留。袁派遣別的使者去找劉虞，說要一起派兵西進迎接天子。劉虞於是派遣數千騎兵到袁那裡，而袁竟自己留下不予派遣。
起先，公孫瓚看出袁耍詐，堅決制止劉虞派兵，而劉虞不聽從，公孫瓚就派人勸袁扣留劉和，併吞並劉虞派去的部隊。劉虞得知後，與公孫瓚間的仇怨就更深了。不久，劉和找機會從袁那逃跑北上，結果又被袁紹扣留。當時，公孫瓚已經多次被袁紹擊敗，還不斷地進攻。劉虞嫌公孫瓚過於窮兵黷武，怕他功後就不好控制了，於是不許他再次出兵，並稍稍削弱了他的許可權。公孫瓚大怒，屢次違反命令，又開始侵犯百姓。劉虞準備賞賜給遊牧民族的品，多次被公孫瓚搶奪，劉虞不能制止，於是上報朝廷訴說公孫瓚掠奪百姓的罪行，公孫瓚也上表告發劉虞辦事不利，兩人相互指責，朝廷也無力理。公孫瓚在薊縣大城東南修小城，與劉虞相近。劉虞幾次邀請公孫瓚，他都稱病不來，於是劉虞謀征討他，先把這事告訴東曹掾魏攸。魏攸說：“如今天下引領，把您當作希。謀臣爪牙，不可缺。公孫瓚的文韜武略足以依靠，即使有小惡，也當暫且容忍。”於是劉虞停止手。一年後，魏攸病死，劉虞又打算討伐公孫瓚。
初平四年（193年），劉虞糾合諸屯兵，共計十萬人，進攻公孫瓚。臨行前，從事程緒下頭盔，向劉虞諫言：“公孫瓚雖然有過錯，然而罪名並未確立。明公不事先告知，敦促公孫瓚改弦更張，而兵起蕭牆，這並非國家之利。加上勝負難以預料，不如休兵，以武力迫其就範。公孫瓚必定悔禍謝罪，這是所謂的‘不戰而屈人之兵’。”劉虞以程緒大戰當前提出異議，擾軍心，於是殺他示眾。劉虞告訴士兵：“不要傷害其他人，只殺一個伯圭（公孫瓚）就行了。”劉虞手下從事公孫紀，平時因為同姓被公孫瓚厚待，趁夜跑到公孫瓚告發劉虞的計劃。當時，公孫瓚的部眾都散佈在外面，公孫瓚自覺不敵，本想逃走。結果劉虞計程車兵不善於作戰，又惜百姓的房屋，下令不許焚燒城池，一時間竟攻不下來。公孫瓚於是召集銳勇士數百人，順風縱火，火燒劉虞軍營，趁勢突襲。劉虞遂大敗，向北逃至居庸縣，又打算召烏桓、鮮卑來救自己。公孫瓚追擊，三日城陷，抓住了劉虞，把劉虞和他的妻小帶回薊縣，仍讓他做傀儡管理州中事務。正趕上朝廷派使者段訓來增加劉虞的封邑，讓他掌管北方六州的事務，並拜公孫瓚為前將軍，封易侯，假節督幽、並、青、冀四州。公孫瓚趁機誣陷劉虞之前與袁紹合謀要當皇帝，脅迫使者段訓將劉虞斬首。故常山相孫瑾、掾張逸、張瓚等忠義憤發，相繼前來看劉虞，大罵公孫瓚，結果都被殺害。公孫瓚將劉虞的首級送到京都，半路被劉虞的故吏尾敦劫走安葬。劉虞在北方很得人心，他死後，幽州及流亡至此的百姓都痛哭流涕。
劉虞死後，其舊部鮮于輔、齊周、鮮于銀推舉閻為烏桓司馬，與公孫瓚部將鄒丹戰於潞河之北，斬殺鄒丹等四千餘人。之後，烏桓峭王迎接劉虞子劉和，與袁紹軍在興平二年（195年）破公孫瓚於鮑丘，殺二萬餘人。
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