袁绍的两个主要劲敌是盘踞在冀州北部的公孙瓒和冀州南部的袁术。汉献帝初平二年（191年）冬，孙坚依附于袁术，袁术任命他为豫州刺史，屯阳城。孙坚出兵攻打董卓时，袁绍却派周昂任豫州刺史，袭取阳城。袁术派遣公孙瓒的弟弟公孙越帮助孙坚回救阳城，在作战中公孙越被乱箭射中身亡。当时，正在青州镇压黄巾军的公孙瓒怒不可遏地说：“我弟之死是袁绍惹出来的。”于是举兵攻打袁绍。公孙瓒军攻势凌厉，威震河北。一时间，冀州郡县纷纷望风而降。
公孙瓒仪表堂堂，声音洪亮，刘太守很器重他，将女儿嫁给他，并让他去涿郡跟随卢植学习经书。后来，他又做了一段郡县小官吏。刘太守出了事，被召去见廷尉，公孙瓒一直在他身边侍奉，简直无微不至。一次，公孙瓒高举着酒杯说：“过去是祖父母的孙子，父母的儿子，今天是人家之臣。我们将要到日南去，日南有瘴气，我们有可能回不来了，现在我先与祖先们告别。”又行了大礼。当时看到这一场面的人，无不欷歔感叹。
袁绍为了取悦公孙瓒，缓和局势，拔擢公孙瓒堂弟公孙范任渤海太守，但公孙范一到渤海，立即反叛。初平三年（192年）春，袁绍亲领兵马迎战公孙瓒，两军于界桥南二十里处交锋。公孙瓒以三万步兵排列方阵，两翼各配备骑兵五千余人。袁绍命麴义率八百精兵为先锋，在路两侧埋伏了一千名弓箭手。见麴义兵少，公孙瓒产生了轻敌思想，他命令骑兵突袭，麴义的士兵以盾牌掩护身体，只守不攻，等到双方的距离只有十几步近时，麴义一声令下，军队发起反击，在两侧埋伏的弓箭手也一齐放箭，喊声震天。公孙瓒的军队受了重创，大败而逃。冀州刺史严纲被杀，一千多人战死。麴义率军队追到界桥，公孙瓒集结军队反扑，再一次被打败。麴义一直追击到公孙瓒的驻营地。袁绍让部下加紧追击，自己则率人马缓缓而进，随身只带着数十张强弩，持戟卫士一百多人。在距离界桥十余里处，听说前方已经获胜，就放心下马卸鞍，稍事休息。这时突然有两千多公孙瓒部逃散的骑兵出现，重重围住了袁绍，乱箭如雨。别驾田丰拉着袁绍，要他躲在一堵矮墙的后面，袁绍将头盔掼在地上，说：“大丈夫宁可冲上前去战死，躲在墙后就能活命吗？”他指挥强弩手应战，杀伤了许多敌骑，公孙瓒的部将不认得袁绍，渐渐后退。一会儿，麹义领兵来迎袁绍，公孙瓒的部将才撤走了。
这一年，公孙瓒又派兵到龙凑攻打袁绍，结果再次被打败，于是退守幽州，不敢轻举妄动了。公孙瓒没有在冀州获得一席之地，反被袁绍重创，便向幽州发展其势力。
初平四年（193年）十月，公孙瓒杀害原幽州牧刘虞，占领了幽州。当时，幽州流传着一首童谣：“燕南垂，起北际，中央不合大如砺，唯有此中可避世。”公孙瓒认为歌谣里说的是易城（今河北雄县西北），于是他将易城作为大本营，修建堡垒和楼观。公孙瓒凭借军事力量，不体恤百姓，为人心胸狭窄，记过忘善，陷害名士，压制贤才，甚至连多看他一眼的小事，也要报复。有人问他为何这样对待士人，他说：“士人都想显赫通达，即便让他们富贵了，他们也不会感谢我的。”一些小商贩及庸俗之人却得到了公孙瓒的宠信，公孙瓒甚至与他们结为兄弟或互相通婚。幽州一时间被他搞得一团混乱，民不聊生。
汉献帝初平四年（193年），太仆赵岐奉命劝和，袁绍和公孙瓒才宣告休战。三月，袁绍南下薄落津。这时，魏郡发生兵变，造反的兵士和黑山起义军会合后，占领了邺城。起义军中有一个叛徒陶升，他入邺城之后把袁绍和州内官吏家属保护起来，并将他们送往斥丘。袁绍进屯斥丘，任命陶升为建义中郎将，后大举进剿起义军。他在朝歌鹿场山苍岩谷围攻黑山军五天，将首领于毒杀害。接着，他又残酷地镇压了左髭丈八、刘石、青牛角、黄龙、左校、郭大贤、李大目、于氐根等多支起义军，死者达数万人。
汉献帝兴平二年（195年），已故幽州牧刘虞的从事鲜于辅准备率军队攻打公孙瓒，为主人刘虞报仇。燕人阎柔与鲜于辅向来交情甚好，被推任为乌桓司马。阎柔带领数万名胡汉军队在潞水（今北京密云）以北与公孙瓒委任的渔阳太守邹丹交战。阎柔斩杀邹丹及其部下四千余人，大获全胜。刘虞的故友乌桓峭王也带领由乌桓人和鲜卑人组成的七千余名骑兵与袁绍的部将麴义联合，共同对公孙瓒发动进攻，在鲍丘（今北京密云西南）大败公孙瓒，斩杀两万人。这时，代郡、广阳、上谷、右北平等郡也纷纷起兵征讨公孙瓒。公孙瓒屡战屡败，士气大减，只好退到易城，坚守自保。
为了防御进攻，公孙瓒在易城周围挖掘了十道又宽又深的壕沟，在沟中堆了许多高达五六丈的土丘，又在土丘上面建起瞭望塔，由士兵把守。在中央有一个高达十丈的土山，供公孙瓒居住。公孙瓒所住之处十分坚固，七岁以上的男子不准入内，与他同住的只有姬妾。文书、报告都用绳子吊上城楼。他还命令一批妇女练习叫喊，以便向其他城楼传达命令。公孙瓒住在高高的城楼之上，既没有亲信，也疏远了宾客，他属下的谋臣猛将都逐渐离他而去。公孙瓒也很少外出作战，有人问其原因，他说：“过去我在塞外驱逐胡人，在孟津打败黄巾军，原望天下指日可定，谁知到了今日，战乱才刚刚开始，看来我一个人不能决定天下的事，还不如让士兵休息，努力耕作，度过这兵荒马乱的岁月。兵法有言，百楼不攻。我现在建造这么多的城楼，又储备了三百万斛的粮食，在此静观天下的形势变化是最为妥善的办法。”
袁绍连年出兵攻打公孙瓒，都没能收到良好的效果，他又写信给公孙瓒，想与他尽释前嫌，再度联合。公孙瓒对此不作答复，反而加强防备，他对部下说：“如今群雄四方争霸，形势瞬息万变，无人能围在我的城下一待好几年，袁绍奈何不了我！”袁绍得知公孙瓒的态度，大为愤怒，向易城增派兵马，大举进攻公孙瓒。随着袁绍攻势的加强，一味防守的公孙瓒有些招架不住了。他派儿子公孙续向黑山军将领求援，并准备亲自率众迎敌。
建安四年（199年）春天，援救公孙瓒的黑山军首领张燕与公孙续率十万军队，兵分三路向易城赶来。公孙瓒派使者前去接应，并给公孙续捎去一封密信，让他率五千精兵到城北低洼地埋伏，以点火为号，公孙瓒带兵出城，前后夹击袁绍的围城军队。哪知送信人在路上就被袁绍抓获，搜出了这封信。袁绍将计就计，按期点火。公孙瓒以为援军到了，急忙率军出城，结果冲进袁绍设下的包围圈。经过一场大战，公孙瓒败退城中。袁绍抓住时机，命令军队挖掘地道，一直挖到公孙瓒住的城楼下面，之后将木柱叠架起来，再点燃木柱，大火一下子将城楼烧塌。公孙瓒陷入绝境，万般无奈，先将自己的姊妹、妻子缢死，然后引火****。于是袁绍又占领了幽州，成为北方势力最大的军阀。
袁绍有三个儿子：长子袁谭、次子袁熙、三子袁尚。袁绍宠爱后妻刘氏，对刘氏所生的袁尚颇为偏爱，有意以袁尚为嗣，因此让长子袁谭去做青州刺史。沮授劝袁绍说：“年纪相当应该选择贤者为嗣，德行又相当就用占卜决定，这是古人都遵守的原则。如果将军不能改变决定，祸乱就会从此而生。”袁绍则说：“我是准备让几个儿子各据一州，对他们进行考察，最后再决定立谁为嗣。”攻克幽州之后，他又让次子袁熙做幽州刺史，让外甥高干做并州刺史，只把袁尚留在身边。
袁绍占据了冀、青、幽、并四州后，军队达到了几十万。随着实力的增强，他的野心也越来越大了，给献帝的进贡却越来越少。一次，他接到了袁术写来的一封信，信上说：“汉朝的天下早已丢掉，天子受人控制，朝政被奸臣把持，豪强角逐，国土分裂。现在和周朝末年七国纷争的时代没什么两样，其结果是强者兼并天下。袁家受命于天，理应当皇帝，符命、祥瑞也都是这么显示的。您今日拥有四州之土地，民户过百万，无人能比得上您的实力，论德行更无人比得上您。”
当初，在董卓专权时，袁术为避祸从洛阳逃到南阳。他的部将孙坚杀了南阳太守张咨，与袁术会合于鲁阳（今河南鲁山），南阳从此成为袁术的根据地。刚到南阳时，袁术有人口数百万，但他征赋无度，不体恤百姓，又骄奢淫逸，令百姓苦不堪言，纷纷外逃。后来袁术与袁绍发生矛盾，各自拉拢党羽，相互图谋。由于袁术与荆州牧刘表不和，便勾结公孙瓒，袁绍因与公孙瓒有矛盾则与刘表联合。当时，地方势力多依附袁绍，袁绍占了绝对的优势。袁术愤恨地说：“这些小人不跟随于我却跟随我家的败类，绝不会有好下场！”他还给公孙瓒写信说：“袁绍不配做我们袁家的子孙！”袁绍得知此事后大怒，伺机进行报复。
初平四年（193年）正月，袁术进军陈留（今河南开封东南），打算向北方发展其势力，却遭到袁绍与曹操的联合抗击。袁术大败，退至九江（今安徽凤阳南），扬州刺史陈瑀率兵抵御，不让袁术入境。袁术退守阴陵（今安徽凤阳西南），又集结军队向寿春（今安徽寿县）进攻。陈瑀非常害怕，逃到下邳（今江苏邳县南），袁术占领寿春。他自称扬州刺史，成为割据淮南的军阀。
袁术在建安二年（197年）在淮南称帝，仅仅过了两年半时间，就搞得国库空虚，民怨沸腾，众叛亲离，袁术走投无路之际，“慷慨”地表示愿将帝号让给袁绍。袁绍见信不敢声张，心里却美滋滋的。他命主簿耿苞为自己做皇帝寻找理由，耿苞私下对他说：“汉朝已经衰败，袁氏是黄帝后裔，理应顺从天意、合乎民心而称帝。”袁绍故意向军府僚属公开了耿苞的言论，本想大家会拥戴他，却没想到僚属们都认为耿苞妖言惑众，混淆视听，应当斩首。袁绍知道时机还不成熟，唯恐露出马脚，急忙令人把耿苞杀了。