八月，袁绍大军连营而进，东西数十里，依沙堆为屯，进逼官渡 。曹操分兵坚守营垒，伺机而动 。袁军向曹营发动猛攻，先是作高橹、起土山，由上向曹营中射箭，接着又挖地道，欲从地下袭击曹营，皆被曹操以相应办法击破 。两军一攻一守，相持近二个月 。久战之下，曹操处境极为困难 。
十月，袁绍从河北运来粮草万余车，派大将淳于琼等带万余人看守，屯于离袁绍大营四十里的乌巢 。恰好这时袁绍谋士许攸来投曹操，献计让曹操偷袭乌巢 。曹操大喜，亲率精锐步骑五千人，乘夜从小路偷袭乌巢 。曹操军至乌巢，命四面放火，袁军大乱，淳于琼拒营死守 。袁绍闻知，急忙派兵救授，曹操左右见“‘贼骑稍近，请分兵拒之 。’操怒曰：‘贼在背后，乃白！’士卒皆殊死战，遂大破之，斩琼等，尽燔其粮草” 。当袁绍听说曹操袭击乌巢时，认为这正是攻破曹操大营的好机会，因此派去的援兵很少，而以重兵围攻曹操大营 。但曹营未破，乌巢败讯已经传来，袁军溃散，大将张郃等人投降曹操 。袁绍弃军逃回黄河以北 。于是曹军大获全胜，斩首七万余级，尽获袁军辎重图书珍宝 。曹操清点袁绍书信，得到自己部下写给袁绍的信，尽烧之，说：“当绍之强，孤犹不能自保，而况众人乎？”
从客观条件上说，曹操本处于劣势，但由于他能正确分析客观条件，善于听取别人的正确意见，所以能扬长避短，采用正确的战略战术，使战争向有利于自己的方面转化，经过自己主观上的努力，终于赢得了胜利 。
官渡一战，曹操击溃了最大敌人袁绍，由他统一北方已是大势所趋 。
建安七年，袁绍病死，袁绍的两个儿子袁谭、袁尚不和，发生火并 。袁谭不敌袁尚，向曹操乞降 。
建安九年二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁谭之机，进军围攻邺城 。袁尚率军回救，依滏水（今滏阳河）为营，曹操进军将其营寨包围 。袁尚害怕，请求投降，曹操不许 。袁尚乘夜逃跑，袁军溃散 。袁尚逃奔中山（今河北定县） 。曹操命人拿着缴获袁尚的印绶节钺招降邺城守军，城中斗志崩溃 。邺城遂被曹操攻破 。第二年正月，曹操又以负约为名，攻灭袁谭，冀州平定 。于是，曹操让还兖州牧，改任冀州牧 。
袁尚兵败后，逃奔幽州刺史袁熙 。不久 。袁尚、袁熙又逃奔三郡乌桓 。
建安十二年，曹操为了肃清袁氏残余势力，也为了彻底解决三郡乌桓入塞为害问题，决定远征乌桓 。汉末，辽西、辽东、右北平三郡乌桓结合，是为三郡乌桓，其首领为辽西部的蹋顿 。三郡乌桓与袁氏关系一直很好，并屡次侵扰边境，掳掠人口财物 。这年五月，曹操亲率大军到达无终（今河北蓟县） 。时正雨季，道路积水，“浅不通车马，深不载舟船” 。曹操从无终人田畴之议，改从一条久已断绝，但“尚有微径可寻”的路线进军 。在田畴的引导下，曹操大军登徐无山（今河北玉田北），出卢龙塞（今河北喜峰口附近一带），“堑山堙谷五百余里”，直指乌桓老巢柳城（今辽宁朝阳南） 。曹军进至离柳城不足二百里时，乌桓才发现，于是蹋顿与袁尚、袁熙等人率数万骑兵迎击 。八月，二军相遇，时曹军辎重在后，“被甲者少，”而放军军势甚盛 。曹操登高了望，见敌军虽多，但阵势不整，遂命大将张辽为前锋，乘敌阵稍动之机，向敌军发动猛攻 。乌桓军大乱，曹军阵斩蹋顿，大获全胜，胡、汉降者二十余万，袁尚等人逃奔割据平州的公孙康 。这时，有人劝曹操乘势进击公孙康，曹操说：“吾方使康斩送尚、熙首，不烦兵也 。”遂率军还师 。不久，公孙康果然斩杀袁尚、袁熙，并将其首级献与曹操 。诸将不明所以，曹操说：“彼素畏尚等，吾急之则并力，缓之则自相图，其势然也 。”于是，曹操攻破三郡乌桓，也彻底肃清了袁氏势力 。
建安十三年六月，曹操恢复丞相制度，并自任丞相 。
曹操基本平定北方后，兵锋转而南向 。建安十三年七月，进军南征荆州刘表 。八月，刘表病死，其子刘琮接任荆州牧 。九月，曹操大军进至新野（今属河南），刘琮以为无法抵挡，举荆州之众投降曹操 。这时，官渡之战后投奔刘表的刘备屯驻于樊城（今湖北襄樊），听说刘琮投降，便率军向江陵（今属湖北）撤退 。江陵为荆州重镇，存有大量军用物资 。曹操听说，怕江陵落入刘备之手，遂亲率五千骑兵从襄阳（今湖北襄樊）疾驰三百里，在当阳长坂（今湖北当阳东北）将刘备追上，并将其军击溃，随后进占江陵 。
由于曹操的进军威胁了孙权的统治，孙权命大将周瑜率军三万，与刘备联军抵抗曹操 。

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