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建安十三年（208）正月，曹操在邺城之北，挖了一个叫玄武湖的人工湖，开始训练水军。消息传到荆州，刘表心里直发毛。孙权也开始侵夺荆州的地盘。上半年，刘表驻守在夏口的大将黄祖被孙权部将吕蒙斩杀，黄祖手下的勇将甘宁投奔孙权。
六月，曹操对帝国中枢机构的官僚制度作了改革。他取消了按照儒家典籍《周礼》设置的，以司徒、司马、司空三公统领中央政府的体制，恢复了秦帝国和高皇帝朝设置的，以丞相和御史大夫为首的中枢机构。其目的在于将国家的大权全部集中到丞相手中，也反映了曹操对秦帝国以及大汉初期法制社会的向往。秦帝国将中央分为以天子为首，以九卿为臣属的内廷，和以丞相、御史大夫、太尉三人为首的外廷。外廷是政府的行政机构。丞相负责政务，御史大夫负责监察，太尉负责军事。皇帝是最高国家元首，但不过细地干预外廷执行具体的政事。可是后来，孝武皇帝要与臣下们争权，便通过管理内廷文件的机构――尚书台控制文件的批准与执行，并授予中官“尚书令”的头衔，掌控尚书台。孝昭皇帝年幼不能视事，便起用重臣霍光领尚书事。至孝成皇帝朝，尚书令以及尚书皆用士人，这些人官阶虽低，但都能直接服从天子的意图处理政务，丞相已被架空。光武皇帝光复以来，将丞相分为司徒、司空、太尉三公，不付实权，只是名誉上地位最高的公卿。在国家改元、典礼、灾变之际，皆按例更换。发号施令的大权归尚书台掌管，重臣如掌实权，往往在头衔之后冠以“领尚书事”或“录尚书事”的字样。
曹操改革了制度，这丞相他是做定了。丞相内府里的幕僚计有东曹掾、西曹掾、主簿、文学掾和法曹议令史，分别由崔琰、毛？、司马朗、司马懿和卢毓担任。司马懿是司马朗的弟弟，聪明有大略，时年二十七岁，河内大世族出身，祖父司马隽任过颍川太守，父亲司马防任过京兆尹，皆为二千石高官。他和袁绍一样，身上禀承着世家大族的高贵习气，看不起曹操的政府，当曹操征辟的时候，他居然装成麻疯病人。曹操说你不来，就杀了你，他这才吓得应聘。就是这个人，日后将曹操的事业和理想付诸东流。
可是曹操的丞相府不是一个和平帝国的国家政务机构，而是一个彻头彻尾的军人政府，因此曹操指望通过丞相制来恢复正常的法制社会，还有很大的距离。事实上，他所颁布的法令，绝大多数是军事管制条令或是战时法令，如果想要经营一个大一统的帝国，这些都不是长久之计。
八月，以郗虑为御史大夫。他上任的第一个月，就杀了孔融及其妻子，罪名是当初在北海为相时，召合徒众，图谋不轨；近来接见孙权的使者时，又谤讪朝廷。其实孔融真正的罪名是，他上书天子，说按照古制，千里之内不得分封诸侯。把矛头指向曹操迁居邺城这件事。
建安十三年八月，当曹操的大军已到达南阳宛城时，屯驻樊城的刘备大惊失色。此时刘表刚死，刘琮继位。前来襄阳奔丧的刘琦被阻在门外，不得见父亲一面。刘琦流涕而去。按照诸葛亮的主意，他出奔汉水下游。不一会儿，刘备见到了刘琮派来的使者宋忠，他告诉刘备，刘琮已举州而降，派人拿着父亲刘表所持有的汉节去新野迎接曹操。
刘备连忙率民众向南边的江陵撤退，让关羽先乘船至江陵等候。经过襄阳时，刘备在城下喊刘琮一道走，刘琮不答。刘备去刘表墓前大哭一通，策马南窜。
曹操一听刘备南逃江陵，亲率精骑五千，日行三百多里，抄袭江陵，因为江陵是荆州的大粮仓。追至当阳长阪坡，击溃了刘备军民混杂的十万之众。刘备与诸葛亮等数十骑得以脱身。赵云保护刘备的妻子甘夫人，怀抱其子刘禅突出重围。张飞在后，以二十多骑横立长阪坡桥头，策目大喝。曹军见他一副不要命的样子，又怕他设有埋伏，稍稍退却，为刘备逃跑争取了时间。徐庶之母在皮役被曹军俘获，徐庶是个孝子，没办法，进了曹营。
曹军到达江陵之后，命刘琮为青州刺史，封列侯，擢用荆州人士多人，包括荆州大将文聘和韩嵩，以文聘为江夏太守，韩嵩为大鸿胪。王粲也至曹操帐下，任丞相掾属。继而操练水军，打算顺流东下，进击江东。
十月，鲁肃说服孙权与刘备联合抗击曹操，并代表孙权至夏口见到刘备。鲁肃又对诸葛亮说：“足下在江东任事的兄长诸葛谨，是我的至交。”于是鲁肃与诸葛亮定了交。当诸葛亮随鲁肃到了柴桑见到孙权时，孙权的臣下们正吵成一团，以张昭为首的一些文臣主张投降，孙权也被他说得左右摇摆。诸葛亮、鲁肃以及从鄱阳赶回来的周瑜，用三张利口使孙权当着众臣，拔出佩刀，斩去几案的一角说：“诸将吏敢再说投降曹操的，就与此案一样！”
周瑜的水军与曹操在赤壁相遇。经过侦察，一切都像周瑜对孙权分析的那样，曹操号称八十万的大军，实际仅有二十二万左右，其中七、八万是荆州的降卒。北方兵士不习水战，风浪一起，呕吐不止，并且染上了疾病。而周瑜的水军训练有素，阵法严整。一次驻扎在樊口的刘备见到周瑜的战船，亲自乘船来慰劳。刘备问：“将军有多少人？”
“三万。”
“太少了！”
“足够了，玄德公请观周瑜大破曹操。”
刘备提出让鲁肃出来一见，周瑜说：“军中条令严整，玄德公此来，专见我一人，如欲见子敬（鲁肃字），可专程见他。”
刘备听了又惭愧，又佩服。
决战开始了，周瑜的部将黄盖先致书曹操，请求投降。在一个东南风大起的日子，用冲击舰十艘，装上枯柴，灌上油，裹上帷幕，插上旌旗，鱼贯而来。曹军以为黄盖来降，没有戒备。离曹军水军大营只有两里之时，黄盖下令点火，撤人于舰后小船。顷刻之间，曹操的水军化为灰烬。刘备、周瑜见火光大起，水陆齐进，围追堵截。曹操败走，至华容时，泥泞难行，他命瘦弱的兵士背上草填铺道路，让骑兵蹈藉而过。出了华容，曹操大喜，对部下说：“刘备，真是我的对手，但是计出太晚。如果他在华容放火，我们就完了。”退至南郡，人马死伤大半。曹操命征南将军曹仁、横野将军徐晃把守江陵，折冲将军乐进据襄阳，自己引军北还。
后来，因孙、刘联军久攻江陵，曹仁难以抵抗，曹操的救援又多次被敌挫败，曹操便命曹仁放弃江陵，把防线收缩至襄阳。建安十四年（209），曹操与孙权在东线的合肥展开争夺，设置了东部防御和进攻的据点。
刘备推刘琦为荆州刺史，招抚了刘表的老部下，武陵、长沙、桂阳、零陵四郡的太守。次年，刘琦病死。刘备征得孙权同意之后，自领荆州牧，驻扎公安。其余四郡，南郡、江夏为孙权占领，南阳、章陵为曹操占领。后来，孙权又将妹妹嫁给刘备，在刘备的请求和鲁肃的建议之下，孙权考虑到将来曹操如从东线合肥进攻江东的心脏地带，西线的防御无暇顾及，让给刘备可以遏止曹操从上游东下，便把南郡委托给了刘备。
建安十五年（210）冬天，曹操在邺城筑铜雀台，这是一个属于皇宫建筑种类的高台，表明曹操营建新都的野心。
十二月，曹操下了一道《明本志令》，叙述了自己一生从举孝廉到平定刘表的经历和功绩。这是一篇少有的说真话的宣言。他说：“身为宰相，人臣之贵已极，意望已过矣。设使国家无有孤，不知当几人称帝，几人称王。”他表示一定要掌握大权，不然既败了国家，又祸及子孙，江湖未静，不可让位。如果有人指责，可以让出一部分食邑。他说这篇表明心志的宣令，无有讳言，不仅对天下人这样讲，即使对妻妾子女，也如是说。最后，他对自己百年之后也作了两个交待：其一，自己生前不称帝，如果天命在曹氏，他也只能做周文王，由儿子完成改朝换代的仪式。其二，所有的小妾，在自己百年之后，任从改嫁。并且有义务对后夫传达曹孟德的心志，使他人皆知之。从这时起，曹操已认清了天下三分的形势，他对他这一生不能统一中国怅恨不已，下一步的战略全是为下一代着想了。他决定讨平关西、益州，稳固北方，再进而对孙权、刘备，构成北方对南方持久而占上风的军事态势。
建安十六年（211），天子拜曹丕为五官中郎将，副丞相。
三月，曹操以经过关西讨伐汉中张鲁为名，出兵西进。关西诸将韩遂、马超、杨秋、张横、梁兴等人发觉不对，联兵十万屯据潼关。曹操讨伐荆州之前，马腾的部将与韩遂的部将发生内讧，钟繇让凉州刺史韦端出面调解。荆州战事进行之中，曹操命人劝说马腾散兵回朝，马腾同意。曹操拜马腾为卫尉，以其子马超为偏将军，留凉州统领其众。马腾及其家属全部迁居邺城。现在，马超也顾不上老父亲在曹操手上做着人质，毅然起兵，抵抗曹操对西北地区发动的统一战争。七月，曹操留曹丕守邺城，自击马超。八月，曹操坐镇潼关南岸，吸引关西军队，同时命徐晃等从黄河北岸的蒲阪西渡黄河，于西岸建立据点，然后将大军陆续北调。曹操本人最后渡河，这时马超率步骑万人攻击只有几百个卫士的曹操，许褚一手持马鞍挡住箭矢，一手撑船，丁斐放出牛马扰乱敌阵。渡过黄河，曹操笑着对部下说：“今天差点被小贼困住。”
九月，曹军陆续渡过渭水，又从河西开了一条甬道，直通渭水北岸，粮草运输通畅无阻。马超等见此形势，