都拥有武装，乘机起兵反操，遥为袁绍声援，刘备也一再领兵到汝南，骚扰曹操后方。袁绍还多次派出小股军队抄掠曹军的粮食供应线。这些都给曹操造成了很大的困难，迫使曹操一度考虑退守许都。经过荀彧谏阻，操始决定在官渡与袁绍周旋到底。他派遣曹仁带兵到汝南把刘备赶走，镇压了地方反抗势力，稳定了后方。
曹操除了采取严密措施，以足够的武装卫护粮食运输外，也十分注意用劫粮的办法制服袁军。恰好这时侦察到袁绍部将韩猛押运粮车数千辆来到官渡北面几十里的故市（今河南延津）。操知韩猛有勇无谋，乃派得力将领徐晃、史涣前往截击，把韩猛押送的粮谷全部烧掉。十月，袁绍大将淳于琼等率兵万余，押送大队粮车，停在离袁绍大营北面四十里的乌巢（今河南延津东南）。沮授为了确保这支运粮部队的安全，向绍建议派一支军队协助守卫，以防曹操再次抄袭。可是，袁绍认为没有必要。
这时，谋士许攸向绍献策：曹操兵少，其主力部队都集中在这里，许都防务必然空虚。可遣精骑前往偷袭，操失许都，进退狼狈，必然不能再战。绍不从，一定要先攻下操营。恰好这时许攸家人在邺犯法，被留守审配收治，攸既因此怀恨，又嫌绍无能，乃转而投奔曹操。据《三国志》卷1《武帝纪》注引《曹瞒传》曰：
公闻攸来，跣出迎之，抚掌笑曰：“子远，卿来，吾事济矣！”既入坐，谓公曰：“袁氏军盛，何以待之？今有几粮乎？”公曰：“尚可支一岁。”攸曰：“无是，更言之！”又曰：“可支半岁。”攸曰：“足下不欲破袁氏邪？何言之不实也！”公曰：“向言戏之耳。其实可一月，为之奈何？”攸曰：“公孤军独守，外无救援而粮谷已尽，此危急之日也。今袁氏辎重有万余乘，在故市、乌巢，屯军无严备；今以轻兵袭之，不意而至，燔其积聚，不过三日，袁氏自败也。”
以上即许攸给曹操献的乌巢劫粮之计，操与亲信商议，诸谋士对许攸的话半信半疑，只有荀攸、贾诩劝操采纳。于是操断然采取行动，留下曹洪和荀攸守住大营，亲自率领步骑五千，趁朦胧的月色，从小道直趋乌巢。操军打着袁军旗帜，每个士兵带上一捆干柴，嘴啣枚，马缚口，路上遇人盘问，答以袁公怕曹操抄袭我军后路，特地前往加强戒备。这样，顺利地到达了乌巢。曹军在袁军屯地周围点燃干柴，大火顿时燃烧起来。袁军从梦中惊醒，只见大火熊熊，喊杀之声，震耳欲聋，于是惊惶失措，乱作一团。至拂晓，淳于琼等见曹军兵少，又产生轻敌情绪，出营迎战，操不待其摆好阵势，即挥军急击，琼等抵挡不住，退回营中。
袁绍听说操往袭乌巢，并不赶紧派兵救援，还对其子谭说：“即使曹操攻破淳于琼等，我攻下其大营，他就无处措身了”。于是命高览、张郃等加紧攻营。张郃建言：“曹操兵精，往必破琼等；琼等破，则将军事去矣，宜急引兵救之。”可是袁绍只遣少量骑兵往救琼，而以全力进攻曹营。曹营坚固，屹立不动。
当操正激励士卒攻打淳于琼等的时候，传来了袁绍援军将到的消息，有人劝操分兵拒敌。操以为兵分势弱，后顶不住援军，前攻不下敌营，必致两头败衄，于是令士卒拼命进攻琼等，一举破之，除杀琼等外，还烧掉袁军全部存粮。及袁绍援军到来，乌巢已经失守，援军也就不战而溃了。
乌巢粮谷被烧的消息传到官渡，袁军登时土崩瓦解，张郃、高览烧毁攻具，率部降操，其他将士，也不再听从袁绍指挥，纷纷逃命。袁绍、袁谭父子率领仅存的八百骑兵渡过黄河，逃回冀州。袁军的辎重、图书、珍宝都成了曹操的战利品，来不及逃跑的袁军多向操投降。
经过这次战役，袁绍的主力部队基本被消灭，曹操的军事力量大大增强，为日后统一北方奠定了牢靠的军事基础。
三、曹操统一北方
（1）进取冀、青、幽、并四州
建安五年（200年）十月，曹操在官渡大败袁绍后，冀州城邑，多降于操。但曹军也已人困马乏，特别是军粮短缺，使操无力再行北进。直到次年三月，操军仍缺粮，不能不就食于东平郡的安民（亭名，在今山东东平西南）。
由于刘备仍在汝南，所以曹操打败袁绍后，亲自率军击备，备不战而奔荆州。刘表令备屯驻新野，以防曹操。
袁绍归邺后，收集散卒，平定诸叛郡县。原先，绍爱少子尚貌美，欲以为后，乃令长子谭出任青州刺史。沮授当时进谏说：“谭长子，当为嗣，而斥使居外，祸必始于此矣。”绍不听，曰：“吾欲令诸子各据一州，以视其能”。又以中子熙为幽州刺史；外甥高干为并州刺史。袁谭与袁尚之间的矛盾，便由此形成。绍部下要员亦跟着分为两派：审配、逢纪为尚派；辛评、郭图为谭派。建安七年（202年）五月，绍死，尚继立，谭不服，自号车骑将军，屯兵黎阳。
尚、谭互讧，给操以吞并河北的良机。九月，操进军攻谭，谭、尚在曹军的重大压力下，惧而合力拒操，谭、尚数败。建安八年（203年）二月，操攻黎阳，谭、尚败走。郭嘉向操建议：“谭、尚各有党与，急之则相保，缓之则争心生。不如南向荆州若征刘表者，以待其变；变成而后击之，可一举定也。”操以为善，遂引军还许。
不出郭嘉所料，操退军后，谭、尚就厮杀起来，谭为尚所败，退保平原，尚围城急攻，谭竟遣辛毗求救于操。辛毗劝操乘机略定冀州。操称善，许助谭。十月，操引兵至黎阳，尚闻操军北上，乃释平原还邺。尚部将吕旷、吕翔叛尚归操。谭阴刻将军印给旷、翔。操知谭怀诈，为子整聘谭女以笼络之。操因军粮不足，引军暂还。建安九年（204年）正月，操引淇水入白沟，以通粮道。二月，尚又进兵攻谭，留审配、苏由守邺。操乘尚东去，再来攻邺，先为土山、地道攻城，至五月，毁土山、地道，而绕城凿长堑，周回四十里。起初挖的甚浅，审配从城上望见，笑其无用。至夜，操急掘之，广深各二丈，引漳水以灌城，城中饿死者过半。
袁尚闻邺城危急，率兵万人还救。操诸将以为尚来保卫老巢，人自为战，有必死之心，不如避之。操以为尚从大道来，当避之；若循西山来，则有依险自全之心，而无轻生必死之意，可一战而禽。尚果循西山来，被操战败。尚奔中山（今河北定州市）。八月，邺城被操攻占。
邺为冀州州城，冀州在操所辖各州中，户口与财赋都居首位，操对之极为重视，自领冀州牧，经常驻邺。
操围攻邺城时，袁谭亦乘机略取冀州数郡，并攻袁尚于中山，尚败走，到幽州依袁熙。操责谭负约，与之绝婚，然后进讨。十二月，操入平原，略定诸县。建安十年（205年）正月，操击杀谭于南皮。于是冀、青二州郡县皆为操有。
袁熙为其将焦触等所攻，与袁尚俱奔辽西乌桓。焦触自号幽州刺史，带领诸郡守、县令降操，操皆封为列侯。
并州刺史高干于邺城陷落时，曾向操投降，后叛，发兵守壶关口（今长治市东南）。建安十一年（206年）春，操攻破壶关。高干自往匈奴求救，单于不受，干南奔荆州，行至上洛（陕西商县），为都尉王琰捕斩。至此，袁绍原来占有的冀、青、幽、并四州均为操平定。
（2）北征乌桓
汉末军阀混战之际，居住在幽州之辽东、辽西、右北平、上谷各郡的乌桓强盛起来，掠有汉民十余万户，袁绍立其酋帅为单于，以家人子为己女妻之。辽西乌桓蹋顿尤为强盛，曾助袁绍灭公孙瓒。后袁尚兄弟前往归附，蹋顿欲助尚收复故地，屡入塞为寇。操将击之，凿平虏渠（由今河北省饶阳县至沧州市）、泉州渠（在今天津市宝坻、武清二县境）以通海。
建安十二年（207年）春，曹操准备击乌桓，诸将皆曰：“袁尚亡虏耳，夷狄贪而无亲，岂能为尚用？今深入征之，刘备必说刘表以袭许，万一为变，事不可悔。”郭嘉曰：“公虽威震天下，胡恃其远，必不设备，因其无备，猝然击之，可破灭也。且袁绍有恩于民夷，而尚兄弟生存，今四州之民，徒以威附，德施未加，舍而南征，尚因乌桓之资，招其死主之臣，胡人一动，民夷俱应，以生蹋顿之心，成觊觎之计，恐青、冀非己之有也。表坐谈客耳，自知才不足以御备，重任之则恐不能制，轻任之则备不为用，虽虚国远征，公无忧矣。”操从嘉议，率军北征，行抵易县，郭嘉献计：“兵贵神速，今千里袭人，辎重多，难以趋利，且彼闻之，必为备。不如留辎重，轻兵兼道，掩其不意。”操复从之。
七月，操军至无终（今天津市蓟县），时正当夏季多雨季节，滨海低洼，泞滞不通，乌桓遮守径要，军不得进。操患之，问路于右北平郡人田畴，畴曰：“此道夏秋每常有水，浅不通车马，深不载舟船，为难久矣。旧北平郡治在平冈，道出卢龙，达于柳城；自建武以来，陷坏断绝，垂二百载，而尚有微迳可从。今虏将以大军当由无终，不得进而退，懈弛无备。若嘿回军，从卢龙口（今河北平泉县南柳河口处），越白檀（今河北承德市西南古北口东北一百四十里滦河之滨）之险，出空虚之地，路近而便，掩其不备，蹋顿可不战而禽也。”操称善，乃引军还，而署大木表于水侧路旁曰：“方今夏暑，道路不通，且俟秋冬，乃复进军。”乌桓候骑见之，以为大军已退，故乌桓不复设备。
操令畴将其众为向导，上徐无山（在今河北玉田东北二十里），堑山堙谷，五百余里，经白檀，历平冈（今内蒙喀喇沁左翼），涉鲜卑庭，东指柳城（今辽宁兴城北），未到二百里，乌桓始觉之。尚、熙与蹋顿及辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之