袁术出兵进攻徐州，刘备与关羽前去迎战，留下张飞守徐州。刘备担心张飞为人鲁莽，难堪大任。临走前让陈登协助守城。刘备走后，张飞百事不问，徐州"军机大务""一应杂事"（见第十四回）全部交给陈登自家参酌。不过，由于张飞醉打曹豹，导致吕布夜袭徐州，徐州最终也落入了吕布之手。等张飞跑到盱眙见到刘备时，身边仅剩下数十骑，可见败得很惨。而陈登又变成了吕布的属下。
吕布占领徐州后，袁术派人提亲。吕布满口应允。此时，陈登的父亲陈珪出面劝阻，使得吕布改变主意将女儿抢回。不久之后，吕布与袁术翻脸，将袁术的使者韩胤押往许都，打算利用此举结好曹操，谋求自己在徐州的合法地位。这时候，陈登出现了，他成了吕布的使者。可见，陈登当初既没有趁乱逃走，也没有在吕布与刘备和好之后重归旧主，而是变成了吕布的幕僚，为吕布效命。
陈登来到许都后，将自己的真实想法告诉了曹操。陈登认为"吕布，豺狼也，勇而无谋，轻于去就，宜早图之"，表示"丞相若有举动，某当为内应"。陈登的表态让早就觊觎徐州的曹操喜出望外，不仅将陈登的父亲陈珪增加了陈珪的官秩，又将陈登任命为广陵太守。从陈登与曹操的对话中可以发现，陈登随时都想将吕布推翻，委身于吕布只不过是他的"卧底"之术。陈登回到徐州，吕布勃然大怒，大骂陈登。吕布说的是事实。陈登父子一个升官一个加薪，自己什么都没捞着，完全被陈登出卖了。陈登的回答非常有意思。将责任全部推给了曹操，还故意杜撰出一个玩笑哄吕布开心，足见陈登的演技之高明。
