中平五年（188年），朝廷正式任命刘虞为幽州牧。并下诏发南匈奴兵，跟随刘虞讨伐张纯。结果南匈奴发生内乱，单于被杀。 [30] [41]刘虞到达蓟县，精简了部队，广泛布施恩惠，派遣使者告峭王等人朝廷将宽大处理，可以免除他们犯下的罪责，又悬赏通缉张举、张纯二人。丘力居等人听说刘虞到了，纷纷派遣使者前来沟通归附之事。张纯二人逃到塞外，其余的也或降或散。公孙瓒担心刘虞立功，暗中派人在途中暗杀这些使者。外族得知此事后，便绕道到刘虞处。 [6] [29]
中平六年（189年）三月，张纯被手下王政杀死，首级被送到刘虞处。 [4]汉灵帝刘宏派使者升刘虞为太尉，封容丘侯。 [5]刘虞先是推让，并举荐卫尉赵谟、益州牧刘焉、豫州牧黄琬、南阳太守羊续担任此职，但刘宏最终还是拜刘虞为太尉。 [6] [8]
永汉元年（189年），董卓专权，派使者授予刘虞大司马，进封襄贲侯。 [10]
初平元年（190年），董卓拜刘虞为太傅，召他入朝任职。但因道路阻塞，任命竟不能够到达。 [11]
过去幽州因为地处边疆，与异族接壤，每年开支很大，常常要用青、冀二州的两亿多税收来补充幽州财政。当时因战乱交通断绝，无法调度金钱。刘虞在幽州追求宽政，劝导百姓种田，并在上谷与外族互市，还发展了渔阳的盐铁业，百姓热情高涨，粮食丰收，一石谷只卖三十钱。青、徐的士人百姓为避黄巾之难，来归附刘虞的有百余万口，刘虞都收留抚恤，为他们安排就业，流民们都像回到了家一样。刘虞虽为上公级的高官，但天性爱好节约，穿着破旧的衣服，一顿饭都不吃一道以上的荤菜。远近原本作风奢侈的豪族，都被他感化而改变风气。 [9]
公孙瓒奉命征讨乌桓时，受刘虞的节度。公孙瓒只注重自己的部队强大，放任部曲侵扰百姓，而刘虞注重仁政，很关爱百姓，于是与公孙瓒之间逐渐出现了矛盾。
当时，天下群雄起兵讨伐董卓。议者认为，汉灵帝刘宏失道，致使天下叛乱。汉献帝刘协年幼，是贼臣董卓所立，远在长安，又不识母氏所出。关东和长安远隔关塞，不知存亡，天下心无所归。而幽州牧刘虞宿有德望，是宗室中最贤明的，袁绍、韩馥等人便准备拥立他为皇帝。 [13] [38]
韩馥为立刘虞为帝，写信给袁术说当今天子不是孝灵皇帝刘宏的儿子，自己打算依照绛侯周勃、颍阴侯灌婴诛废少帝刘弘迎立代王刘恒故事；又称刘虞的功德治行，华夏少二，当今公室枝属无人能比得上他。还说：“过去光武帝距离长沙定王五世，以大司马领河北，耿弇、冯异劝他即尊号，卒代更始。如今刘公（刘虞）是东海恭王（刘强）的后代，与恭王也相隔五世，他以大司马领幽州牧，这就和光武帝的情况相同。”当时有四星会于箕尾，韩馥声称有谶语说“神人将在燕分。”又说济阴男子王定得到玉印，文曰“虞为天子”，还说见到代郡出现两个太阳，是刘虞代立的征兆。 [31]
初平二年（191年）春季 [39]，韩馥、袁绍派前乐浪太守甘陵人张岐等人带着提案，劝刘虞称帝。刘虞正色厉声呵斥张岐等人道：“你怎敢出此言！如今天下崩乱，主上蒙尘。我受重恩，却不能尽忠孝之道，未能竭命清雪国耻。还望与诸州郡忠烈义士戮力向西，迎回幼主。诸君各拥州郡，应该尽忠王室，岂能如此心怀逆谋，玷污忠臣呢！”袁绍等人又劝刘虞领尚书事，承制封拜，刘虞不听，欲图奔往匈奴以断绝关系，袁绍等人才作罢。但刘虞仍与袁绍他们联合。之后，刘虞奉职修贡，对朝廷更加恭肃；各国各族向朝廷进贡，道路不通，刘虞都帮他们送到京城。 [13] [31] [40]（另一说，韩馥等人请刘虞领尚书事，刘虞将使者收斩。 [13]）
三国志 刘虞
当时，汉献帝刘协身在长安，刘虞派田畴与鲜于银出使长安。刘协想要东归，见到田畴等人后非常高兴。当时刘虞的儿子刘和在皇帝身边做侍中，于是刘协派他偷偷地潜出武关，去找刘虞让他带兵来救。刘和途经南阳，向后将军袁术说明天子之意，结果反被袁术扣留。袁术派遣别的使者去找刘虞，说要一起派兵西进迎接天子。刘虞于是派遣数千骑兵到袁术那里，而袁术竟自己留下不予派遣。
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。
