不久，張繡聽從謀士賈诩之計，投降曹操，曹操大喜，拜張繡爲揚武将軍，解除了後顧之憂。
建安四年（199年）十二月，曹操自率軍屯于官渡（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，後徐州被呂布攻占，劉備投奔曹操。曹操認爲劉備是個英雄，先後表他爲豫州牧、左将軍。
曹操攻占徐州不久，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洩，被曹操殺掉。劉備遂襲殺徐州刺史車胄，占據徐州。曹操爲了免于将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。
當時諸将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”，“門生故吏遍于天下”，勢力本就很大，後袁紹取得冀、并、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、外甥高幹分守青、幽、并三州，後方穩固，兵精糧足，根本不把曹操放在眼裏。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），袁紹命大将顔良等人進兵白馬（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，曹操所占的大河以南地區，地盤既小，又是四戰之地，殘破不堪，還沒有完全恢複，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”。
裴松之認爲此數不準确，曹操的兵力不會如此之少，但曹操兵力遠遜于袁紹卻是毫無疑問的。
袁紹大軍來攻，許都震動。曹操安慰衆将說：
“吾知紹之爲人，志大而智小，色厲而膽薄，忌克而少威，兵多而分畫不明，将驕而衆令不一，土地雖廣，糧食雖豐，适足以爲我奉也。”
二月，袁紹大将顔良等人圍攻白馬，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态勢，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，顔良被關羽斬首，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，并置辎重于道。袁軍追兵大至，争搶辎重，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，東西數十裏，依沙堆爲屯，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，先是作高橹、起土山，由上向曹營中射箭，接着又挖地道，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，曹操處境極爲困難。十月，袁紹從河北運來糧草萬餘車，派大将淳于瓊等帶萬餘人看守，屯于離袁紹大營四十裏的烏巢。
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，淳于瓊拒營死守。
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！”
士卒都拼死力戰，因此大破袁軍，斬淳于瓊等，盡燔其糧草。
而當袁紹聽說曹操襲擊烏巢時，認爲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。
由于曹操預留兵力精且多，曹營未破，烏巢敗訊已經傳來，大将張合、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，斬首七萬餘級，盡獲袁軍辎重圖書珍寶。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，而況衆人乎！”
客觀條件上，曹操處于劣勢，但由于他能正确分析客觀條件，善于聽取别人的正确意見，所以能揚長避短，采用正确的戰略戰術，使戰争向有利于自己的方面轉化，經過自己主觀上的努力，終于赢得了勝利。
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争史上以少勝多、以弱勝強的着名戰例。
建安七年（202年），袁紹病死，袁紹的兩個兒子袁譚、袁尚不和，發生火拼。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，進軍圍攻邺城（今河北邯鄲臨漳西一帶）。袁尚率軍回救，依滏水（今滏陽河）爲營，曹操進軍将其營寨包圍。
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）。曹操命人拿着繳獲袁尚的印绶節钺招降邺城守軍，城中鬥志崩潰，邺城遂被曹操攻破。