次年二月，袁绍派遣郭图、淳于琼、颜良在白马攻打东郡太守刘延，袁绍领兵到了黎阳，准备渡过黄河。夏季四月，曹操往北救援刘延，荀攸劝说曹操道：“如今我们兵力少不能抵挡，分散敌人的兵力才可以取胜。您到了延津，装作准备渡过黄河向他们的后方进军，袁绍必定往西迎战您，然后派轻装部队袭击白马，趁他们没有防备，就可以捉住颜良了。”曹操听从了荀攸的计策。袁绍听说曹军渡过黄河，立即分出兵力往西迎战曹军。曹操就率领军队急行，直奔白马，离白马尚有十多里．颜良大惊，前来迎战。曹操派张辽、关羽做先锋，先打败了敌人，斩了颜良，终于解除了白马之围，迁徙白马的百姓，循着黄河朝西走。袁绍在这时渡过黄河追击曹操的部队。追到延津的南面，曹操指挥军队在西面山坡下扎营，派人登上营垒望敌军，报告说：“大约有五六百骑兵。”过了一会儿，又报告：“骑兵逐渐增多，步兵多得数不过来。”曹操说：“不用再报告了。”就下令让骑兵御下马鞍放开马匹。这时，白马驻军的辎重已经上路。各将领认为敌军的骑兵多，不如回去守卫军营。荀攸道：“这是用来引诱敌人上钩的，为什么要离开这儿呢？”袁绍的骑兵将领文丑和刘备带领五六千骑兵先后来到。各将领又说：“可以上马了。”曹操说：“可以了。”于是大家都上马，当时骑兵不足六百人，就挥军出击，大败敌军，斩了文丑。颜良、文丑都是袁绍的有名将领，两次交战，都被擒杀，袁绍的军队大为震动，曹操回军官渡。袁绍进军保卫阳武。关羽逃回刘备那儿。
八月，袁绍连接营垒逐渐向前推进，靠着沙丘驻扎，从东到西连绵数十里。曹操也分扎营垒跟敌方对抗，交战不利。当时曹操兵力不足一万人，伤员占十分二三。袁绍军队前进到官渡，堆土山挖地道。曹操也在营内堆土山挖地道，跟敌军对抗。袁绍军射箭入曹军营中，箭下如雨，走动的都要用盾牌遮挡，大家非常害怕。这时曹操粮食少，给荀彧写信，商议打算撤回许都。荀彧回信说：“袁绍全部人马聚集在官渡，准备跟您决一胜负。您以最弱小的兵力对抗最强大的敌军，如果不能制服他，必定被敌军所追逐，这是天下的重大转机啊。况且袁绍只是一个一般的豪雄罢了，能够聚集人才却不能使用人才。凭借您的神武英明并且加上以天子之命讨伐叛乱的正当名义，有什么事而不能做成功呢？”曹公听从了荀彧的意见。
袁绍数千辆运送谷物的车子到达，曹操采用荀攸的计策，派徐晃、史涣去截击，大败袁军，全部烧毁了袁绍的运粮车。曹操跟袁绍相持了几个月，虽然每次交战都斩杀敌将，但是兵少粮尽，士兵疲乏。曹操对运粮的人说道：“再过十五天替你们打败袁绍，不再让你们劳苦了。”冬季十月，袁绍派车运粮，令淳于琼等五个人带领一万多士兵护送车队，露宿在袁绍军营北面四十里的地方。袁绍的谋臣许攸贪婪无度，袁绍不能满足他，就前来投奔曹操，借机劝说曹操攻打淳于琼等人。曹操身边的人怀疑他。荀攸、贾诩劝说曹操采纳。曹操于是留下曹洪防守，自己带领五千步兵和骑兵乘夜前往，恰在天亮时到达。淳于琼等人望见曹操兵少，出去到营门外布阵。曹操急速攻击淳于琼，淳于琼退守营房，于是就攻打淳于琼的营房。袁绍派骑兵援救淳于琼。曹操身边的人有的说：“敌人的骑兵逐渐接近，请求分兵抵抗他们。”曹操发怒说：“敌人到背后才报告！”士兵都拼死作战，大败淳于琼等人，把他们全斩了。袁绍刚听到曹操攻打淳于琼时，对大儿子袁谭说道：“趁他攻打淳于琼等人，我去攻占他的军营，他就没有地方落脚了！”于是派张郃、高览攻打曹洪。张郃等人听到淳于琼败亡，就前来投降。袁绍军队大溃败，袁绍和袁谭扔下军队逃跑，渡过了黄河。曹军追赶上他们，全部缴获了他们的辎重、图表文书和珍宝，俘虏了他们的部众。曹操缴获袁绍的信件中，有许都和曹军中的人和袁绍来往信件，曹操把它们全部烧掉了。冀州各郡很多城邑都自动投降了。
六年夏季四月，曹操在黄河边检阅军队，攻击袁绍在仓亭的军队，把它打败。袁绍回来，又收拢被打散的士兵，平定了各反叛的郡县。九月，曹操回到许都。
袁绍自从军队被打败之后，发病吐血，在夏季五月死去。小儿子袁尚接替他的官职，袁谭自称车骑将军，驻扎在黎阳。秋季九月，曹操征讨他们，连续交战，袁谭、袁尚屡次战败退却，坚守黎阳。
远证乌桓
三郡乌桓趁天下的动乱，攻下幽州，掠取汉民合计十余万户。袁绍把他们的首领都立为单于，把族人的女孩子作为自己的女儿，嫁给他们做妻子。辽西单于蹋顿尤为强大，被袁绍所看重，所以袁尚兄弟投奔他，频繁入塞造成灾难，曹操准备征讨他们。
十二年春季二月，曹操从淳于返回邺城。丁酉日，下令道：“我发动义军铲平暴乱，到现在有十九年了，所征讨的必定战胜，难道是我个人的功劳吗？这是有才能的士大夫们的力量啊。天下虽然尚未完全安定，我应当和有才能的士大夫们一起平定它。可是独自享有那些功劳，我怎么能够心安理得呢？要赶紧评定功绩、实行封赏。”于是广泛地封赏二十多位功臣，都封为列侯，其余的人各按功劳大小受封，并且免除死难者的子孙的徭役，封赏或轻或重各有差别。
将要北征三郡乌桓，各将领都说：“袁尚，是一个逃亡的敌人罢了，夷人贪婪而没有爱心，哪里会被袁尚所利用？如今深入征讨他，刘备必定说服刘表来袭击许都。万一发生事变，后悔也来不及了。”只有郭嘉算定刘表必定不会信任刘备，劝曹操北征。夏季五月，到达无终。秋季七月，发大水，沿海道路不通，田畴请求担任向导，曹操听从他，带领军队出卢龙塞，塞外道路断绝不通，于是开山填谷五百多里，路过白檀，经历平冈，走过鲜卑族地区，向东直扑柳城，距离柳城二百里时，敌人才知道消息。袁尚、袁熙和蹋顿、辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之等人带领数万骑兵迎战曹军。八月，曹操登上白狼山，突然跟敌人碰上，敌兵非常多。曹操的辎重尚在后边．披戴铠甲的人很少，左右的人都害怕。曹操登上高处，望见敌军的阵势不整齐，就出兵攻击敌阵，派张辽做先锋，敌军大崩溃，斩了蹋顿和名王以下多人，投降的胡人和汉人共二十余万人。辽东单于速仆丸和辽西、右北平各头领，扔下他的族人，跟袁尚、袁熙逃奔到辽东，相随的部下尚有数千骑兵。当初，辽东太守公孙康依仗地处偏远不肯归服。等到曹操打败乌桓，有人劝说曹公立即征讨他，就可以捉住袁尚兄弟俩。曹操说：“我正让公孙康斩下并且送来袁尚、袁熙的人头，不去麻烦军队了。”九月，曹操率兵从柳城回来，公孙康随即斩了袁尚、袁熙和速仆丸等人，把他们的人头送来。将领中有人问；“曹公回来而公孙康斩下并送来了袁尚、袁熙的人头，是什么原因呢？”曹操说：“公孙康向来害怕袁尚等人，我紧逼他就把力量联合起来，放松他就会互相算计，情势就是这样啊。”十一月到达易水，代郡乌桓代理单于普富卢、上郡乌桓代理单于那楼带领他们的名王前来祝贺。
十二年春季正月，曹操回到邺城。开凿玄武池来训练水军。汉朝廷撤消三公的官职，设置丞相、御史大夫。夏季六月，任命曹操为丞相。
赤壁之战