朱友裕與霍存聯兵擊敗了兗州朱瑾來援救徐州的兵馬，可在這一戰中霍存中流矢戰死。朱溫聽到霍存戰死的消息，心中十分悲痛，盛怒之下竟舉劍殺死一名隨從。朱友裕帶兵攻下了濮州，朱溫立刻命令朱友裕移兵去進攻徐州。朱友裕初到到徐州，沒有摸清時溥底細，幾次時溥出兵朱友裕都守住營寨沒有出戰。都虞侯朱友恭就寫信給朱溫，指責朱友裕畏敵不敢出戰，而且說霍存之死與朱友裕戰敗朱瑾不追擊有關係。朱溫見信大怒，立刻寫了一道命令給都指揮使龐師古，要他代理指揮朱友裕的軍隊，並把朱友裕捉回汴州法辦。沒想到這封函件卻誤投到朱友裕的大營中，朱友裕看後大驚，帶著二千騎兵逃入山中。龐師古派人在山中找到朱友裕，勸他先回碭山老家，到大伯父朱全昱家中躲避一時。朱友裕於是帶領幾名親兵躲到了老家。
朱溫的夫人張氏知道了這件事，馬上派人到碭山找到朱友裕，勸他單人獨騎回汴州，向父親認罪，說明情況。張氏夫人知書達理，向來為朱溫所敬重。而張氏夫人對朱友裕也非常喜愛，一直視如己出。朱友裕接到張氏夫人的書信，馬上動身回到汴州，哭拜於朱溫身前。朱溫餘怒未消，命人要將朱友裕推出斬首。張氏趕緊抱住朱友裕，對朱溫說：“他舍去兵馬，單身回來向你認罪，說明他絕無二心，這還不清楚嗎？”朱溫火氣頓消，於是派朱友裕去鎮守許州。
這位說朱友裕壞話的朱友恭，是朱溫的幹兒子，原名叫李彥威，是壽春人，幼為朱溫家童，因為很會說話辦事，被朱溫收為養子。
霍存戰死後，徐州兵又占領了石佛山寨。龐師古帶領兵馬二次攻打石佛寨，擊敗了徐州軍，占領了石佛山寨。自此徐州兵全都退進徐州再也不敢出戰。
汴軍包圍了徐州，攻打了一個月還是沒有攻下徐州。這時有一位通事官叫做徐濤的，給朱溫上書說：“我們出兵進攻徐州沒選對日子，所以攻不下徐州。”朱溫看後覺得他說的對，就準備從徐州退兵，另選良辰吉日重新發兵取徐州。敬翔聽到這個消息，馬上去見朱溫，他說道：“現在我們攻城已經一月有餘，耗費了不少軍費，徐州軍隊已經沒有抵抗能力了，徐州馬上就可以被攻下。如果讓將士們知道要退兵的消息，就會放鬆對徐州的進攻。”朱溫聽了敬翔的話，燒掉了徐濤的書信，決定不但不退兵，還要加強對徐州的攻擊。
公元893年農曆四月十五日，朱溫親自來到徐州前線指揮，對徐州發起了總攻。王重師、牛存節兩位將軍身先士卒，帶領汴軍登梯爬城，首先攻入徐州城內，龐師古帶領大隊人馬繼進，占領了徐州。
感化軍節度使，因將黃巢首級獻與朝廷而被封為钜鹿郡王的時溥，在汴軍攻進城中時正帶著他的全家，登上了徐州最高點燕子樓。他知道朱溫決不會放過他，他也不願做朱溫的俘虜。時溥親自在燕子樓上放了一把火，把家人和幾十年來積蓄下的金銀珠寶連同他自己都燒成了灰燼。
四月二十一日朱溫帶領眾將及幕僚進入徐州城，自此朱溫實際占有了原感化軍的所有轄區，並得到了中原重鎮徐州。徐州正是中原的戰略要地，從此朱溫既可以把徐州作為橋頭堡，向南攻擊淮河兩岸，又可以出兵向北攻擊朱瑄兄弟的兗、鄆之地。
朱溫把宋州刺史張廷範調到徐州作感化軍留後，並上表朝廷要求昭宗派一名文官來做節度使。朱溫請求朝廷派文官來做感化軍節度使，意思很明白。徐州兵是汴州的兵，將是汴州的將，派個文官來做節度使也改變不了汴軍占領徐州的實質。
朱溫占領徐州還有一項收獲，那就是他發現了一個美人。朱溫進入徐州住進時溥的府衙，衛兵在清查府衙時在柴房中發現一名女人，這女人雖穿著下人的衣服卻掩飾不住天生麗質。衛兵把此女帶到朱溫麵前，經朱溫審問才知道，這女人姓劉，竟是時溥的愛妾。時溥命全家逃往燕子樓，劉氏見事不好，竟逃到後院柴房躲了起來，因此保住性命。見到朱溫，劉氏渾身戰抖，眼淚流得如梨花帶雨，聲聲祈求大王饒命。朱溫這年正是四十餘歲的虎狼年紀，見到如此美姬，怎能不生憐愛之心。當時就對此女好言安慰，命她當夜伺寢。一連幾夜，劉氏曲意奉迎，深得朱溫歡心，至此朱溫便與劉氏結起了一段孽緣。這劉氏來曆可不一般，她原來是黃巢副帥尚讓的妻子，尚讓投降了時溥，便把劉氏獻給了時溥。
此時的朱溫雖然好淫，但因對妻子張氏夫人還懷有敬畏之心，不敢帶劉氏到汴梁去見張夫人，在班師回汴州之前就把劉氏送給了他的第一大謀士敬翔。這種事在朱溫來說並不覺得有什麼不妥，他沒讀過聖賢書，在他眼裏女人就是一件東西，送人有什麼不可以。問題是此後這劉氏舊情不忘，跟了敬翔以後還不斷去找朱溫再續前緣，壞了朱溫大英雄一世英名。