袁绍得知孙权与曹操交好的消息，勃然大怒，不顾田丰的劝阻，调集七十万大军，经由官渡向许都杀来。到武阳之后，袁军安营扎寨，营寨绵延九十里。曹操闻讯，率七万兵马赶来迎敌，两军在官渡相遇。
两军相峙一个多月，曹军粮草用尽，曹操便派人回许都催粮，不料信使被袁绍的谋士许攸抓获。许攸建议袁绍趁许都空虚、曹军缺粮之机，分兵袭击许都，袁绍不肯。正在此时，审配派人向袁绍汇报，说许攸曾经接受贿赂、私收税赋。袁绍大怒，骂许攸道：“你还有脸给我出主意？你是曹操的故友，必然是接受了他的贿赂，来诱骗我中计吧！我先记下你的死罪，得胜之后再和你算账！”许攸回到营中，羞愤不已，打算拔剑自刎，被随从劝住，思前想后，决定连夜投奔曹操。
当时，曹操已经休息了，听说许攸来访，欣喜万分，连鞋都来不及穿，就光着脚跑出来迎接。许攸说道：“我在袁绍帐下不得重用，只好连夜赶来投奔故友。”曹操笑着说道：“有你相助，我定能打败袁绍！”许攸问道：“曹公还有多少军粮？”曹操回答道：“足可以应付一年。”许攸笑着说道：“怕是未必吧！”曹操改口道：“还够用半年。”许攸听了，起身就告辞，曹操急忙挽留，许攸说道：“我诚心来投靠你，你却欺骗我！”曹操说道：“实不相瞒，军中还有三个月的粮草。”许攸又笑着说道：“世间传言曹孟德狡诈无比，果然如此。”曹操哈哈大笑，说道：“兵不厌诈。”然后，曹操压低声音，说道：“其实只有一个月的粮草了。”许攸脸色一沉，说道：“别骗我了，已经没有粮草了！”曹操大惊，问道：“你怎么知道？”许攸便把抓获信使的事告诉了曹操。曹操握着许攸的手，说道：“请故友教我，我该如何是好。”许攸说道：“我有一条妙计，三天之内，定能使袁军不战自乱。袁军的粮草辎重都在乌巢，倘若烧毁乌巢的粮草辎重，袁军自然大乱。”曹操大喜，依计而行。
第二天，曹操命曹洪、荀攸、贾诩、许攸等人留守军营，又令曹仁、夏侯惇、夏侯渊、李典等人埋伏在两侧，以防袁绍趁机劫营，自己与张辽、徐晃、许褚、于禁等率兵前往乌巢，焚烧袁军的粮草。当天夜里，星光璀璨，沮授见太白星逆行，侵犯牛斗之分[32]，急忙求见袁绍，劝袁绍派重兵巡防乌巢。袁绍不听，斥退沮授。
曹操率兵直奔乌巢，途中遇到袁军盘问，便诈称袁将蒋奇奉命前往乌巢护粮，一路顺利，没有遇到阻碍。四更天时，到了乌巢，曹操命将士们点起火把，冲入袁军营寨。当时，乌巢守将淳于琼喝醉了酒，听见战鼓声，正要派人查看，就被曹军擒获了。曹操烧毁乌巢的粮草辎重，又割掉淳于琼的耳朵、鼻子和手指，放回袁绍营中。
袁绍见乌巢方向火光冲天，知道乌巢被曹操袭击，急忙召集文武幕僚商议。张郃主张救援乌巢，郭图主张趁机袭击曹操营寨，两人争执不休，袁绍没有主意，便令张郃、高览率兵袭击曹营，蒋奇率兵救援乌巢。蒋奇在半路上遇到诈称乌巢败兵的曹军，不加提防，被张辽一刀斩杀。袁绍以为乌巢已经被蒋奇夺回，不再派兵救援乌巢。张郃、高览袭击曹营，被曹仁等伏兵打败，郭图得知张郃、高览战败的消息，担心袁绍怪罪，抢先诬告张郃、高览，说他们早就打算投降曹操，袁绍大怒，令人前去问罪。郭图又秘密派人告诉张郃、高览，说袁绍要杀他们。张郃、高览走投无路，只好投降曹操。
袁绍不仅损失了乌巢的粮草辎重，还失去了许攸、张郃、高览、蒋奇、淳于琼等将领，心烦意乱，全军上下也是人心惶惶。曹操接受许攸的建议，令张郃、高览等率三路大军夜袭袁军，大获全胜。荀攸又献计，扬言要攻打邺郡、黎阳，切断袁军归路。袁绍惶恐万分，不辨真假，便分兵十万，令长子袁谭统率，救援邺郡、黎阳。曹操得到袁绍分兵的消息，立即分兵八路，大举进攻袁军。袁军无心恋战，四散逃窜，袁绍连衣甲都来不及穿，便在幼子袁尚的保护下逃跑了。张辽、徐晃等人紧追不舍，袁绍丢了金银细软，只率八百骑兵逃过黄河。由于被袁绍囚禁，沮授没能及时逃脱，被曹军抓获，后来企图逃回河北，才被曹操杀死，成为忠义之士的典范。
逃到黎阳以后，袁绍收集败兵，重整军容，然后返回冀州。半夜时分，在荒郊野岭露营，袁绍听到军士私下议论，抱怨他不听田丰的忠告，导致兵败，袁绍也后悔不已，心想：“回到冀州还有什么脸面再见田丰！”第二天，逢纪赶来，称田丰得知袁绍兵败的消息拍手大笑，袁绍恼羞成怒，立即派人赶往冀州处决田丰。临时前，田丰叹道：“我不能挑选贤明的主公，是我的过错，死有余辜！”
回到冀州以后，袁绍的妻子刘氏劝他及早确定继承人。袁绍有三个儿子，长子袁谭，次子袁煕，幼子袁尚。幼子袁尚是刘氏所生，也最受袁绍器重。袁绍便召集郭图、审配、逢纪、辛评四人商议，郭图、辛评拥护袁谭，审配、逢纪拥护袁尚，因此争论再起。郭图说道：“袁谭是长子，又握有兵权，如果立袁尚为继承人，必然引发内乱，后患无穷。”袁绍拿不定主意，犹豫不决。
得知袁绍战败以后，驻防青州的袁谭、驻防幽州的袁煕和驻防并州的外甥高干率十五万大军到冀州助战。袁绍大喜，率兵到仓亭，继续与曹军交战。曹操得到消息，也前进到仓亭。两军交战，袁尚射死徐晃部将史涣，两军混战一场，不分胜负。曹操接受程昱的计策，分兵十路埋伏在左右两侧，又令许褚引诱袁军到黄河边。曹军将士见无路可退，奋力死战，袁军抵挡不住，急忙回撤，遭到曹军十路伏兵的掩杀，大败。这一次，袁绍再遭惨败，袁煕、高干重伤，只得退回冀州。
曹操正准备攻打冀州，忽然得到消息，刘备自汝南率兵袭击许都。曹操大惊，留下曹洪防御袁绍，自己率大军赶往汝南迎战刘备。曹操与刘备交战，刘备获胜，曹操坚守不出。几天之后，刘备得到消息，龚都运粮到半路被曹军包围，便派张飞前去救援，不料张飞也被曹军包围。刘备正在烦恼之时，又得到消息，夏侯惇率兵包围了汝南，又派关羽救援汝南，也被曹军包围。刘备惊慌不已，只得趁着夜色撤兵，半路遭到曹军截杀，在赵云的保护下逃出重围。刘备收拢败兵，接受孙乾建议，到荆州投奔刘表。
曹操本想追击刘备，又担心袁绍趁机袭取许都，只得接受程昱的建议，暂时退兵。第二年春天，曹操再次攻打河北，以图彻底铲除袁绍。袁绍得到曹操再次出兵的消息，令袁尚、袁谭、袁煕、高干兵分四路迎战。袁尚自不量力，不等袁谭等赶到，抢先出战，被张辽打败，退回冀州。袁绍听到袁尚战败的消息，吐血不止，昏死过去。刘氏、审配、逢纪等人赶来，到袁绍床前商议后事，拥立袁尚为继承人。
袁谭听说袁绍病死的消息，本要讨伐袁尚，被郭图劝住，转而前往黎阳与曹操交战，结果大败，向袁尚求救。袁尚希望借曹操之手除掉袁谭，因此拒不救援。袁谭无奈，打算投降曹操。袁尚得到消息，担心袁谭与曹操联合攻打他，便亲自率兵前来救援。几天之后，袁煕、高干率兵赶到，与曹军在黎阳相峙。第二年春季，四人被曹操分兵打败，袁谭、袁尚退守冀州，袁煕、高干在城外驻扎，互为救应。郭嘉认为，袁氏三兄弟一定会自相残杀，因此建议曹操撤兵，任由他们自相残杀，然后坐收渔利。曹操便留下贾诩守卫黎阳、曹洪守卫官渡，自己撤兵了。
曹操撤兵以后，袁煕、高干返回幽州、并州，袁谭滞留冀州，图谋夺取大权。袁谭请袁尚赴宴，企图在酒宴上杀死袁尚。袁尚识破了袁谭的诡计，率兵攻打袁谭，身先士卒，奋勇冲杀，袁谭大败，退到平原，袁尚包围了平原。郭图劝袁谭假意投降曹操，引诱曹操攻打袁尚，以趁机渔利。曹操也接受了荀攸的建议，决定先消灭袁尚，再消灭袁谭。
袁尚得知曹操再次出兵的消息，急忙退回邺郡，袁谭则投降了曹操。袁尚听取审配的意见，再次攻打平原，计划迅速打垮袁谭。曹操趁机派曹洪、张辽、许褚攻打邺郡、邯郸等地，然后在冀州城下会合。袁尚见冀州被围，急忙回军救援，被曹军打败，丢弃衣甲辎重，逃到了中山。许攸建议水淹冀州，曹操便引了漳河的水灌进冀州城。审配之侄暗中投降曹操，放曹军入城。曹操攻克了冀州，审配被俘虏，拒不投降，面向袁氏所在的北方引颈就刃。
袁谭得知袁尚逃往中山的消息，亲自率兵追击，袁尚无心恋战，逃到幽州投奔袁煕。袁谭收拢袁尚的败兵，意欲夺取冀州，曹操大怒，率兵进逼平原。袁谭连忙向刘表求救，刘表婉言拒绝。袁谭无可奈何，只好放弃平原，逃到南皮坚守。曹操亲自率兵包围南皮，袁谭再次向曹操投降，曹操怪他反复无信，不准投降。袁谭只得以百姓为掩护，亲自杀出城与曹操决战，结果大败，被曹洪杀死。郭图见势不妙，急忙撤退回城，被乐进一箭射死。
消灭袁谭之后，曹操令袁氏降将吕旷、吕翔、张南、焦触、马延、张恺等人分兵三路进攻幽州，又令李典、乐进等攻打并州。袁尚、袁煕料敌不过，放弃幽州，逃到辽西，投靠乌桓[33]去了。幽州刺史出城投降，曹操进入幽州。之后，曹操听取郭嘉的意见，进入沙漠荒原，追击袁尚、袁煕。袁尚、袁煕纠集乌桓首领蹋顿的骑兵，在白狼山与曹军交战，再次大败，逃往辽东。
等曹操回到易州时，郭嘉已经病逝了。诸将请求继续追击袁尚、袁煕，曹操却下令停止追击。原来，郭嘉临终前给曹操留下一封信，郭嘉在信中说，辽东太守公孙康对袁氏心怀戒备，如果派兵追击二袁，公孙康必然联合二袁以自保；如果不追击二袁，公孙康必然除掉二袁。事实果然如此，公孙康见曹操屯兵易州，没有攻打辽东的意图，便诱杀了二袁，将头颅送到易州。
至此，曹操消灭了袁绍的势力，统一了北方。回到许都以后，曹操接受荀彧的建议，一面养精蓄锐，一面训练水军，准备南下攻打刘表、孙权。