八月，袁绍大军连营而进，东西数十里，依沙堆为屯，进逼官渡。曹操分兵坚守营垒，伺机而动。袁军向曹营发动猛攻，先是作高橹、起土山，由上向曹营中射箭，接着又挖地道，欲从地下袭击曹营，皆被曹操以设投石机、挖掘沟壑之法破解。两军一攻一守，相持近二个月。久战之下，曹操处境极为困难。

十月，袁绍从河北运来粮草万余车，派大将淳于琼等带万余人沿途护送，夜宿于离袁绍大营四十里的乌巢。这时袁绍谋士许攸因向袁绍献偷袭许都之计不成，且在河北的家眷犯法被抓，心生悔恨，而来投曹操，献计让曹操偷袭乌巢。

曹操大喜，跣足出迎，之后亲率精锐步骑五千人，军队人衔枚，马勒口，换袁军军装乘夜从小路偷袭乌巢。曹操军至乌巢，命四面放火，袁军大乱，淳于琼拒营死守。袁绍闻知，急忙派兵救援，曹操左右见“贼骑稍近，请分兵拒之。”

曹操大怒道：“贼在背后，乃白！”士卒都拼死力战，因此大破袁军，斩淳于琼等，尽燔其粮草。而当袁绍听说曹操袭击乌巢时，因此少量援兵救援乌巢，而以重兵围攻曹军营地。由于曹军营地营垒坚固，乌巢先被攻破，袁军张郃、高览等人率部投曹，袁军溃散。袁绍弃军逃回黄河以北。

曹军大获全胜，斩首七万余级，尽获袁军辎重图书珍宝。曹操清点袁绍书信，得到自己部下勾结袁绍的信，尽烧之后说道：“当绍之强，孤犹不能自保，而况众人乎！”

客观条件上，曹操处于劣势，但由于他能正确分析客观条件，善于听取别人的正确意见，所以能扬长避短，采用正确的战略战术，使战争向有利于自己的方面转化，经过自己主观上的努力，终于赢得了胜利。官渡之战，曹操击溃了最大的敌人袁绍，由他统一北方已是大势所趋。官渡之战也是中国战争史上以少胜多、以弱胜强的著名战例。

建安七年（公元202年），袁绍病死，袁绍的两个儿子袁谭、袁尚不和，发生火拼。袁谭不敌袁尚，向曹操乞降。

建安九年（公元204年）二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁谭之机，进军围攻邺城。袁尚率军回救，依滏水为营，曹操进军将其营寨包围。袁尚害怕，请求投降，曹操不许。袁尚乘夜逃跑，袁军溃散。袁尚逃奔中山。曹操命人拿着缴获袁尚的印绶节钺招降邺城守军，城中斗志崩溃。邺城遂被曹操攻破。从这一年起，曹操把自己的据点北迁到了冀州邺城，政令军队此后皆从此出，而汉献帝的都城许县则只留些许官吏。

建安十年（公元205年）正月，曹操又以负约为名，攻灭袁谭，冀、青二州平定。于是，曹操上表让还兖州牧，改任冀州牧。袁尚兵败后，逃奔幽州刺史袁熙。不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡乌桓。同年，黑山军首领张燕率领其部众十余万人投降曹操。

建安十一年（公元206年），曹操攻灭高干，平定并州。

建安十二年（公元207年），曹操为了肃清袁氏残余势力，也为了彻底解决三郡乌桓入塞为害问题，决定远征乌桓。汉末，辽西、辽东、右北平三郡乌桓结合，是为三郡乌桓，其首领为辽西部的蹋顿。三郡乌桓与袁氏关系一直很好，并屡次侵扰边境，掳掠人口财物。

五月，曹操亲率大军到达无终。时正雨季，道路积水，“浅不通车马，深不载舟船”。曹操从无终人田畴之议，改从一条久已断绝，但“尚有微径可寻”的路线进军。在田畴的引导下，曹操大军登徐无山，出卢龙塞，“堑山堙谷五百余里”，直指乌桓老巢柳城。

八月，曹军进至离柳城不足二百里时，乌桓才发现，于是蹋顿与袁尚、袁熙等人率数万骑兵迎击。二军相遇，时乌桓军军势甚盛，而曹军则是“车重在后，被甲者少，左右皆惧”，唯独张辽力劝曹操迎战。曹操登高瞭望，见乌桓军虽多，但阵势尚未摆好，遂命将自己的持麾授予张辽暂用。张辽指挥先锋部队，乘乌桓军阵稍动之机，向乌桓军发动猛攻。乌桓军大败，死者被