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起先，公孙瓒看出袁术耍诈，坚决制止刘虞派兵，而刘虞不听从，公孙瓒就偷偷派人劝袁术扣留刘和，并吞并刘虞派去的部队。刘虞得知后，与公孙瓒间的仇怨就更深了。不久，刘和找机会从袁术那逃跑北上，结果又被袁绍扣留。当时，公孙瓒已经多次被袁绍击败，还不断地进攻。刘虞嫌公孙瓒过于穷兵黩武，怕他成功后就不好控制了，于是不许他再次出兵，并稍稍削弱了他的权限。公孙瓒大怒，屡次违反命令，又开始侵犯百姓。刘虞准备赏赐给游牧民族的物品，多次被公孙瓒抢夺，刘虞不能制止，于是上报朝廷诉说公孙瓒掠夺百姓的罪行，公孙瓒也上表告发刘虞办事不利，两人相互指责，朝廷也无力处理。公孙瓒在蓟县大城东南修小城，与刘虞相近。刘虞几次邀请公孙瓒，他都称病不来，于是刘虞密谋征讨他，先把这事告诉东曹掾魏攸。魏攸说：“如今天下引领，把您当作希望。谋臣爪牙，不可缺少。公孙瓒的文韬武略足以依靠，即使有小恶，也当暂且容忍。”于是刘虞停止动手。一年后，魏攸病死，刘虞又打算讨伐公孙瓒。
初平四年（193年），刘虞纠合诸屯兵，共计十万人，进攻公孙瓒。临行前，从事程绪脱下头盔，向刘虞谏言：“公孙瓒虽然有过错，然而罪名并未确立。明公不事先告知，敦促公孙瓒改弦更张，而兵起萧墙，这并非国家之利。加上胜负难以预料，不如休兵，以武力逼迫其就范。公孙瓒必定悔祸谢罪，这是所谓的‘不战而屈人之兵’。”刘虞以程绪大战当前提出异议，扰动军心，于是杀他示众。刘虞告诉士兵：“不要伤害其他人，只杀一个伯圭（公孙瓒）就行了。”刘虞手下从事公孙纪，平时因为同姓被公孙瓒厚待，趁夜跑到公孙瓒处告发刘虞的计划。当时，公孙瓒的部众都散布在外面，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。
同乐共恤
《吴书》记载，刘虞为人低调，礼贤下士，和乡亲们同甘共苦，吃住一样，从不以自身名位搞特殊化，乡里百姓都愿意听刘虞的话。当时乡亲们有了纠纷，都不去找地方官，而是找刘虞决断，刘虞处理合情合理，因此人们都尊敬地接受刘虞的决断，从不记恨刘虞。曾有一个人丢了牛，他家牛的骨体毛色和刘虞的牛很像，就以为刘虞的牛是自己的牛，刘虞便把牛给了他。后来他的牛找到了，才知道错怪了刘虞，于是回去向刘虞道歉。
灾害不生
《英雄记》记载，刘虞曾担任博平令，在任期间治正推平，高尚纯朴。博平境内盗贼绝迹，灾害不生。当时博平附近的县闹蝗灾，但这些蝗虫到博平界，竟然飞过而不入。[28]
清静俭约
《魏书》记载，刘虞在幽州清静俭约，用礼义教化百姓。汉灵帝刘宏时，南宫损坏，朝廷下令升迁到州郡的官员，都要交钱帮忙治宫，或一千万，或二千万。当时富者要么自掏腰包，要么征收民脂民膏来应付；清贫谨慎者拿不出钱，有的甚至为此自杀。刘宏知道刘虞清贫，因此特不让刘虞出钱。[7][28]
节俭之疑
《后汉书》记载，刘虞初时以简朴著称，帽子旧了也不换，打上补丁再戴。等到他遇害时，公孙瓒派兵搜他的家，却发现他的妻妾都穿着很高档的服饰，当时人们因此怀疑他的简朴品质。