袁紹仍然不從，他命令部隊逐漸逼近官渡，緊靠曹軍紮營，軍營東西綿延數十里。
九月，兩軍會戰，曹軍失利，躲進營壘中堅壁不出。袁紹修築壁樓，堆起土山，從高處發箭射擊曹營。
箭如雨下，曹營中的將士只得蒙著盾牌走路。但壁樓、土山不久就被曹軍的「霹靂車」轟毀了。
袁紹又暗鑿通往曹營的地道，曹軍則在營中挖掘長溝進行防禦。袁軍的運糧車還遭到曹軍的襲擊。
兩軍相持了一百多天，河南老百姓困苦不堪，很多人背叛曹軍，響應袁軍。
相持期間，袁紹先後派劉備、韓荀襲擊許都，但是皆被曹仁擊敗，因此不再分兵復出。
然而，這種有利於袁紹的形勢卻突然急轉直下。
這時，袁紹派淳于瓊帶領萬餘人北迎運糧車，沮授特意提醒說：「可增派蔣奇領一支人馬在淳于瓊外側，以防止曹操偷襲。」
而謀士許攸則提出乘曹操傾軍而出，輕騎奔襲許都的建議。
然而，袁紹因之前韓荀和劉備襲擊許都失敗，不想再分兵冒險。
事有湊巧，在鄴城的許攸家族中有人犯法，被留守的審配抓進監獄，許攸大為不滿，於是投奔曹操。在許攸的謀劃下，曹操親自領兵赴烏巢，襲擊淳于瓊。
當曹操奔襲烏巢之時，袁軍部將張郃主張救淳于瓊，他對袁紹說：「曹操親自出馬，必然得手，那麼事情就無可挽回了。」
郭圖卻別出心裁地說：「不如乘此時發兵去進攻曹軍大營。」
袁紹認為郭圖說得對，只要攻拔曹營，曹操就無家可歸了。
於是派高覽、張郃率領重兵攻擊曹營，而只派輕騎救援烏巢。
高覽、張郃攻營不下，烏巢大敗的訊息已經傳來了，二將無心戀戰，竟自向曹軍投降。
插一句，這裡其實是郭圖作祟，害怕袁紹怪罪於自己。
於是叫來一親通道：「你去見高覽，張郃，就說主公要治他兩人敗軍之罪」。
於是便有了兩人投曹的事。
袁紹全軍大亂，一下子全垮了。慌忙之中，袁紹及長子袁譚各單騎逃遁，直奔黃河渡口，隨後又逃來一群騎兵，約有八百騎，渡河至黎陽北岸。
這一仗袁紹損失七、八萬人，武器、輜重、圖書、珍寶無數。
當他跌跌撞撞走進部下蔣義渠營帳中時，握著蔣的手，無比傷感地說：「我把自己的腦袋都交給你了。」
官渡敗後，有人對田豐說：「你必將受重用了。」
田豐平靜地回答說：「如出兵打勝了，我一定能夠安全。如今兵敗，我必死無疑。」
果然，袁紹回到鄴城，說：「我當初不聽田豐之言，今天真的要讓他笑話了。」於是下令殺了他。
官渡之戰，審配的兩個兒子被曹操活捉。
孟岱與審配有矛盾，就透過蔣奇對袁紹說：「審配在任獨攬權力，宗族大，兵力強，而且兩個兒子在南方，他必定想反叛。」
郭圖、辛評也這麼認為。袁紹於是任命孟岱為監軍，代替審配把守鄴縣。護軍逢紀同審配不和，袁紹就逭件事詢問逢紀，逢紀回答說：「審配天性剛烈率直，每次所說的話和所做的事，都仰慕古人的節操，不會因為兩個兒子在南邊而做不義的事情，您不要對他懷疑。」
袁紹說：「你不是討厭他嗎？」逢紀說：「從前所爭的屬於個人私事，現在所說的是國家大事。」袁紹說：「太對了。」於是沒有罷免審配。自此審配、逢紀的關係更融洽了。
回到冀州後，袁紹陸續平定了各處的叛亂。
不久，袁紹發病，死於公元202年（建安七年）夏天。由於袁紹平素有德政，去世之時，河北百姓沒有不悲痛的，市裡巷