曹操軍突然殺到，袁軍措手不及，顏良被關羽斬首，袁軍大敗，白馬之圍遂解。
曹操救出白馬軍民，沿黃河西撤。
袁紹聞知，立即命文丑、劉備渡河追趕曹操。
曹操見追兵漸近，命軍士解鞍放馬，並置輜重於道。袁軍追兵大至，爭搶輜重，陣形混亂。
曹操率領僅有的騎兵突然殺出，大破追兵，陣斬文丑。袁軍大震。曹操初戰得勝，主動撤軍，繼續扼守官渡。
八月，袁紹大軍連營而進，東西數十里，依沙堆為屯，進逼官渡。曹操分兵堅守營壘，伺機而動。
袁軍向曹營發動猛攻，先是作高櫓、起土山，由上向曹營中射箭，接著又挖地道，欲從地下襲擊曹營，皆被曹操以設投石機、挖掘溝壑之法破解。
兩軍一攻一守，相持近二個月。久戰之下，曹操處境極為困難。
十月，袁紹從河北運來糧草萬餘車，派大將淳于瓊等帶萬餘人看守，屯於離袁紹大營四十里的烏巢。
這時袁紹謀士許攸因向袁紹獻偷襲許都之計不成，且在河北的家眷犯法被抓，心生悔恨，而來投曹操，獻計讓曹操偷襲烏巢。
曹操大喜，跣足出迎，之後親率精銳步騎五千人，軍隊人銜枚，馬勒口，換袁軍軍裝乘夜從小路偷襲烏巢。
曹操軍至烏巢，命四面放火，袁軍大亂，淳于瓊拒營死守。
袁紹聞知，急忙派兵救援，曹操左右見「賊騎稍近，請分兵拒之。」曹操大怒說：「賊在背後，乃白！」
士卒都拼死力戰，因此大破袁軍，斬淳于瓊等，盡燔其糧草。
而當袁紹聽說曹操襲擊烏巢時，認為這正是攻破曹操大營的好機會，因此派去的援兵很少，而以重兵圍攻曹操大營。
由於曹操預留兵力精且多，曹營未破，烏巢敗訊已經傳來，大將張郃、高覽等人率部投降曹操，袁軍潰散。袁紹棄軍逃回黃河以北。
曹軍大獲全勝，斬首七萬餘級，盡獲袁軍輜重圖書珍寶。
曹操清點袁紹書信，得到自己部下勾結袁紹的信，盡燒之，說：「當紹之強，孤猶不能自保，而況眾人乎！」
客觀條件上，曹操處於劣勢，但由於他能正確分析客觀條件，善於聽取別人的正確意見，所以能揚長避短，採用正確的戰略戰術，使戰爭向有利於自己的方面轉化，經過自己主觀上的努力，終於贏得了勝利。
官渡之戰，曹操擊潰了最大的敵人袁紹，由他統一北方已是大勢所趨。官渡之戰也是中國戰爭史上以少勝多、以弱勝強的著名戰例。
公元202年（建安七年），袁紹病死，袁紹的兩個兒子袁譚、袁尚不和，發生火拼。袁譚不敵袁尚，向曹操乞降。
公元204年（建安九年）二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁譚之機，進軍圍攻鄴城（今河北臨漳西，河南安陽北）。袁尚率軍回救，依滏水（今滏陽河）為營，曹操進軍將其營寨包圍。
袁尚害怕，請求投降，曹操不許。袁尚乘夜逃跑，袁軍潰散。
袁尚逃奔中山（今河北定縣）。曹操命人拿著繳獲袁尚的印綬節鉞招降鄴城守軍，城中鬥志崩潰。鄴城遂被曹操攻破。
從這一年起，曹操把自己的據點北遷到了冀州鄴城，政令軍隊此後皆從此出，而漢獻帝的都城許縣則只留些許官吏。
公元205年（建安十年）正月，曹操又以負約為名，攻滅袁譚，冀、青二州平定。
於是，曹操上表讓還兗州牧，改任冀州牧。袁尚兵敗後，逃奔幽州刺史袁熙。不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡烏桓。
公元206年（建安十一年），曹操攻滅高幹，平定幷州。
公元207年（建安十二年），曹操為了肅清袁氏殘餘勢力，也為