虽然此时的中国北方是袁曹两大势力并立，但袁绍的实力要远远强于曹操，他占据了幽、并、青、冀四州地界，而曹操拥有的只有豫、兖二州。官渡之战开始时，袁绍统帅十万大军，战马万匹，而曹操只有两万兵力。当时徐州还有刘备的势力，他和袁绍联合，对曹操造成了很大威胁。为了避免两面受敌，曹操于建安五年（公元200年）正月先向东攻打徐州，消灭了刘备部，然后才转而进军官渡。
在攻打刘备之前，许多人都担心袁绍会趁曹军后方空虚之机来攻打许都，但曹操很熟悉袁绍的个性，知道这个人优柔寡断，很不善于决策行动，于是趁刘备在徐州立足尚未稳之机迅速突破，迫使其远走投奔袁绍。
官渡之战开始时，袁绍首先派大将颜良包围了白马。曹操采取谋士荀彧的计策，做出要袭击敌后的架势，将袁绍军调开后，自己率军出击白马，杀死颜良。等到袁绍闻讯追来时，曹操又沿途放置辎重，吸引袁绍军抢夺，趁着他们阵型混乱的机会突然冲出来，又杀死了另一名袁军大将文丑。
颜良和文丑先后被杀，让袁绍军震动不小。这一战后曹军屯驻官渡，与袁军进入相持阶段。到了八月，袁绍军逼近官渡，军营连结数十里，给曹军造成很大压力。在这种情况下，曹操采取防御战术，但由于粮食储备不足，处境越来越艰难。曹操也曾经想要退兵，但受到荀彧劝阻，决定还是留下来寻找新的战机。
到了十月，这个机会终于来了。袁绍军大将淳于琼押送大量粮草，囤积在袁军大营以北四十里的乌巢，谋士沮授劝袁绍增加乌巢的守备兵力，另一名谋士许攸也劝袁绍趁曹军后方空虚之时攻打许昌，但袁绍都不听从。许攸失望之余去投奔曹操，向他说明乌巢守备空虚的情况，曹操立即决定亲自率领五千精兵连夜前去偷袭，同时命令曹洪和荀彧坚守大营。
曹操率军到达乌巢以后四面放火。袁军看守粮草的大将淳于琼是个爱喝酒的人，他当晚喝得醉醺醺的，根本没料到曹操会来这一手，只好仓皇抵抗。袁绍接到乌巢粮草被烧的消息，觉得曹操一定带了不少人马去乌巢，大营的兵力一定不足，因而只派了很少的援军去帮助淳于琼，而错误地命令全军攻打曹军的阵地。结果曹军根本不去防备援军，集中力量攻打淳于琼，淳于琼抵挡不住，死在乱军之中。而这时曹军大营拼死抵抗，袁绍大军进攻迟迟不能得手，而乌巢失守的消息却很快传来，在这决战的关键时刻，袁军的士兵顿时失去了斗志，开始四散溃逃。曹操抓住时机迅速指挥军队转入反攻，袁军兵败如山倒，被杀的有七万多人，其余大多被俘虏或逃散，袁绍最后只带了七百多骑兵逃回河北老家。
官渡之战，曹操的兵力不过一万多人，粮草匮乏，却在绝境中坚守不退，主动创造战机，战胜了比自己强大十倍的袁绍，显示出他非凡的军事才能。当时曹操的处境非常紧张，他手下有不少人都在和袁绍秘密商谈投降，曹操战胜袁绍后，来往的书信都被缴获。将领们要求把那些人都抓起来，曹操却说：“当时连我尚且不能自保，又何况这些人呢！”命人将书信一把火烧掉了。
官渡之战后，河北的局势已经基本被曹操控制，袁绍的两个儿子袁尚、袁谭都是没有什么抱负的人，远远不能和他们的父亲相比，他们没有能力抵挡曹操，相互又发生了内讧，袁谭被杀，袁尚逃往辽东。
整个华北地区虽然已经被平定了，但是曹操却还没有彻底放心。当时中国的东北生活着一个强大的少数民族——乌桓，他们的首领蹋顿野心勃勃，收留了袁尚等人，不断地骚扰边境，杀掠人民。曹操为了解除边患，消灭袁氏的残余势力，决心带领精锐部队跨越塞北，进攻乌桓。曹操出兵的时间在五月份，那时快到夏季，雨水很多，道路泥泞，无法行走。曹操听从当地人田畴的建议，绕道走荒无人烟的小路，从今天河北的喜峰口长城一带翻过山岭，直指乌桓的老巢柳城。蹋顿根本没想到曹操的军队来得这么快，只得和袁尚等人调集军队来迎战。蹋顿的士兵虽然多，但训练很差，事先完全没有准备；而曹操的军队都是精锐，经历过和袁绍的大战，这次跋涉万里，深入敌境，更是抱定了必死的决心，那些平时以剽掠为生的乌合之众又怎么会是他们的对手。曹操把军队布置在山上，乘蹋顿还没有把阵型整顿好，派大将张辽带着骑兵直冲而下，喊声震天，蹋顿猝不及防，队伍一下子被冲得七零八落，他自己也死于乱军之中。乌桓的二十多万民众都愿意归降曹操。袁尚等人见大势已去，连夜继续逃亡，投奔割据辽东的公孙康等人。曹操手下的将领都建议追击，但曹操不同意，他说：“如果我紧追不舍，公孙康就会和袁尚他们联合起来抵抗我；如果我放弃追击，日子一长，公孙康就会不信任袁尚而把他杀了。”下令班师。果然没过多久，辽东就派人送来了袁尚等人的头颅，诸将不得不佩服曹操过人的见识。
在班师的时候，曹操经过面临渤海湾的碣石山，想到经过多年的征战，整个北方终于完全平定，不由得感慨万千，留下了一首千古流传的诗篇《观沧海》：
东临碣石，以观沧海。
水何澹澹，山岛竦峙。
树木丛生，百草丰茂。
秋风萧瑟，洪波涌起。
日月之行，若出其中；
星汉灿烂，若出其里。
幸甚至哉，歌以咏志。
建安十三年，曹操恢复了东汉久已不行的丞相制度，自己担任丞相，掌握了全部的军政大权。他还在邺城大兴土木，修建了著名的铜雀台。官渡之战后的七八年时间，是曹操事业上的巅峰时期。这个时期，南方尚有荆州的刘表、刘备，江东的孙权，四川的刘璋这几股割据势力。他雄心勃勃，要打过长江，完成统一中国的宏愿。可是谁又能想到，仅仅半年以后，他就和袁绍一样，被弱小的对手击败，而使宏愿成为泡影。
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