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，皆被曹操以设投石机、挖掘沟壑之法破解 。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 。这时袁绍谋士许攸因向袁绍献偷袭许都之计不成，且在河北的家眷犯法被抓，心生悔恨，而来投曹操，献计让曹操偷袭乌巢 。曹操大喜，跣足出迎，之后亲率精锐步骑五千人，军队人衔枚，马勒口，换袁军军装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 。而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 。由于曹操预留兵力精且多，曹营未破，乌巢败讯已经传来，大将张郃、高览等人率部投降曹操，袁军溃散 。袁绍弃军逃回黄河以北 。曹军大获全胜，斩首七万余级，尽获袁军辎重图书珍宝 。
客观条件上，曹操处于劣势，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 。官渡之战，曹操击溃了最大的敌人袁绍，由他统一北方已是大势所趋 。官渡之战也是中国战争史上以少胜多、以弱胜强的著名战例 。
远征乌桓
公元202年（建安七年），袁绍病死，袁绍的两个儿子袁谭、袁尚不和，发生火拼 。袁谭不敌袁尚，向曹操乞降 。
公元204年（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（今河北临漳西，河南安阳北） 。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 。从这一年起，曹操把自己的据点北迁到了冀州邺城，政令军队此后皆从此出，而汉献帝的都城许县则只留些许官吏 。
公元205年（建安十年）正月，曹操又以负约为名，攻灭袁谭，冀、青二州平定 。于是，曹操上表让还兖州牧，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 。
公元206年（建安十一年），曹操攻灭高干，平定并州 。
公元207年（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 。
赤壁之战
公元208年（建安十三年），开辟玄武池训练水军 。六月，曹操废三公，恢复丞相制度，并自任汉朝丞相 。基本平定北方后，兵锋转而南向 。
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，大破其军，随后进占江陵 。
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