三年(315年)，刘琨被晋愍帝封为司空、都督并冀幽诸军事。代王拓跋猗卢被其儿子拓跋六修杀死，拓跋普根平定叛乱也因病而死，刘琨在拓跋部作为人质的儿子刘遵同箕澹等率3万余人投奔刘琨。
    建兴四年(316年)，石勒出兵进攻并州，刘琨不听箕澹劝阻全军尽出，中伏大败，丢失并州，只身投奔幽州刺史段匹磾，并与其结为兄弟。同年，刘曜攻破长安，晋愍帝被俘，西晋灭亡。
    建武元年(317年)，段匹磾以刘琨为大都督，率军讨伐石勒。结果段匹磾堂弟段末杯接受石勒贿赂，不肯进军，刘琨因势弱只得退兵。
    太兴元年(318年)，段部鲜卑内斗，段末杯击败段匹磾自任单于，并俘虏了刘琨的儿子刘群。刘群得到段末杯的厚待，便给刘琨写密信邀请他共击段匹磾，谁料密信被段匹磾截获。段匹磾虽相信刘琨，但最终还是将刘琨下狱。
    刘琨素有名望，拘押期间，远近之人尽皆愤叹。代郡太守辟闾嵩与刘琨部下将领企图反叛段匹磾救出刘琨，因泄密而失败。东晋权臣王敦派人密告段匹磾，让他杀掉刘琨。刘琨听说王敦来使，便对儿子刘遵说:“处仲(王敦)使来而不我告，是杀我也。死生有命，但恨仇耻不雪，无以下见二亲耳“。
  
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