消滅睦固後，為了應對之後與袁紹的戰爭，曹操預作布置，命在青州有潛在影響的臧霸等人攻入青州，佔領齊(治今山東臨淄)、北海(治今山東壽光東南)等地，鞏固右翼;又命大將於禁屯軍黃河南岸，監視袁軍。

　不久，張繡聽從謀士賈詡之計，投降曹操，曹操大喜，拜張繡為揚武將軍，解除了後顧之憂。

　建安四年(199年)十二月，曹操自率軍屯於官渡(今中牟北)，準備迎擊袁紹。

　劉備在陶謙死後，曾一度出任徐州牧，後徐州被呂布攻佔，劉備投奔曹操。曹操認為劉備是個英雄，先後表他為豫州牧、左將軍。

　曹操攻佔徐州不久，淮南袁術準備逃往青州往依袁紹，曹操派劉備去截擊，袁術北上不得，嘔血而死。

　建安五年(200年)正月，董承等人謀誅曹操事泄，被曹操殺掉。劉備遂襲殺徐州刺史車胄，佔據徐州。曹操為了免於將來同袁紹作戰時前後受敵，決定先消滅在徐州立足未穩的劉備。

　當時諸將皆怕袁紹乘機來攻許都，曹操對此胸有成竹，說:“劉備，人傑也，今不擊，必有後患。袁紹雖有大志，而見事遲，必不動也。”

　遂進軍，以迅雷不及掩耳之勢擊破劉備，劉備逃奔袁紹。

　袁紹是當時北方最強大的一股勢力，也是曹操統一北方最強大的敵人。袁氏一門，自袁紹曾祖袁安以下，“四世居三公位”，“門生故吏遍於天下”，勢力本就很大，後袁紹取得冀、並、幽、青四州之地，實力大增，有軍隊數十萬人。

　袁紹以其長子袁譚、次子袁熙、外甥高乾分守青、幽、並三州，後方穩固，兵精糧足，根本不把曹操放在眼裡。他挑選精兵十萬、戰馬萬匹，志在一舉消滅曹操。

　建安五年(200年)，袁紹命大將顏良等人進兵白馬(今滑縣)，自率大軍進屯黎陽(今浚縣東)，向曹操發動進攻。

　曹操的實力比袁紹弱得多，曹操所佔的大河以南地區，地盤既小，又是四戰之地，殘破不堪，還沒有完全恢復，物資比不上袁紹那樣豐富。

　曹操的兵力也遠不及袁紹，其總兵力大概不過幾萬人，投入前線的兵力據《武帝紀》說“兵不滿萬，傷者十二三”。

　裴松之認為此數不準確，曹操的兵力不會如此之少，但曹操兵力遠遜於袁紹卻是毫無疑問的。

　袁紹大軍來攻，許都震動。曹操安慰眾將說:

　“吾知紹之為人，志大而智小，色厲而膽薄，忌克而少威，兵多而分畫不明，將驕而眾令不一，土地雖廣，糧食雖豐，適足以為我奉也。”

　二月，袁紹大將顏良等人圍攻白馬，拉開了大戰的序幕。四月，曹操親自率兵北上解白馬之圍，他采納謀士荀攸之計，先進軍延津(今延津北一帶)，做出要渡河襲擊袁軍的態勢，吸引袁軍分兵西向，然後突然轉向迅速趕往白馬。

　曹操軍突然殺到，袁軍措手不及，顏良被關羽斬首，袁軍大敗，白馬之圍遂解。曹操救出白馬軍民，沿黃河西撤。

　袁紹聞知，立即命文醜、劉備渡河追趕曹操。曹操見追兵漸近，命軍士解鞍放馬，並置輜重於道。袁軍追兵大至，爭搶輜重，陣形混亂。

　曹操率領僅有的騎兵突然殺出，大破追兵，陣斬文醜，袁軍大震。曹操初戰得勝，主動撤軍，繼續扼守官渡。

　八月，袁紹大軍連營而進，東西數十裡，依沙堆為屯，進逼官渡，曹操分兵堅守營壘，伺機而動。袁軍向曹營發動猛攻，先是作高櫓、起土山，由上向曹營中射箭，接著又挖地道，欲從地下襲擊曹營，皆被曹操以設投石機、挖掘溝壑之法破解。

　兩軍一攻一守，相持近二個月，久戰之下，曹操處境極為困難。十月，袁紹從河北運來糧草萬余車，派大將淳於瓊等帶萬余人看守，屯於離袁紹大營四十裡的烏巢。

　這時袁紹謀士許攸因向袁紹獻偷襲許都之計不成，且在河北的家眷犯法被抓，心生悔恨，而來投曹操，獻計讓曹操偷襲烏巢。

　曹操大喜，跣足出迎，之後親率精銳步騎五千人，軍隊人銜枚，馬勒口，換袁軍軍裝乘夜從小路偷襲烏巢。曹操軍至烏巢，命四面放火，袁軍大亂，淳於瓊拒營死守。

　袁紹聞知，急忙派兵救援，曹操左右見“賊騎稍近，請分兵拒之。”

　曹操大怒說:“賊在背後，乃白！”

　士卒都拚死力戰，因此大破袁軍，斬淳於瓊等，盡燔其糧草。

　而當袁紹聽說曹操襲擊烏巢時，認為這正是攻破曹操大營的好機會，因此派去的援兵很少，而以重兵圍攻曹操大營。

　由於曹操預留兵力精且多，曹營未破，烏巢敗訊已經傳來，大將張郃、高覽等人率部投降曹操，袁軍潰散，袁紹棄軍逃回黃河以北。

　曹軍大獲全勝，斬首七萬余級，盡獲袁軍輜重圖書珍寶。 曹操清點袁紹書信，得到自己部下勾結袁紹的信，盡燒之，說:“當紹之強，孤猶不能自保，而況眾人乎！”

　客觀條件上，曹操處於劣勢，但由於他能正確分析客觀條件，善於聽取別人的正確意見，所以能揚長避短，采用正確的戰略戰術，使戰爭向有利於自己的方面轉化，經過自己主觀上的努力，終於贏得了勝利。

　官渡之戰，曹操擊潰了最大的敵人袁紹，由他統一北方已是大勢所趨。官渡之戰也是中國戰爭史上以少勝多、以弱勝強的著名戰例。

　建安七年(202年)，袁紹病死，袁紹的兩個兒子袁譚、袁尚不和，發生火拚。袁譚不敵袁尚，向曹操乞降。

　建安九年(204年)二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁譚之機，進軍圍攻鄴城(今河北邯鄲臨漳西一帶)。袁尚率軍回救，依滏水(今滏陽河)為營，曹操進軍將其營寨包圍。

　袁尚害怕，請求投降，曹操不許。袁尚乘夜逃跑，袁軍潰散，袁尚逃奔中山(今河北定縣)。曹操命人拿著繳獲袁尚的印綬節鉞招降鄴城守軍，城中鬥志崩潰，鄴城遂被曹操攻破。