建安四年（199年）六月，袁绍起兵十万，战马万匹，企图南下进攻许昌。曹军诸将认为难以战胜袁绍，曹操却说：“吾知绍之为人，志大而智小，色厉而胆薄，忌克而少威，兵多而分画不明，将骄而政令不一，土地虽广，粮食虽丰，适足以为吾奉也。”遂决定起兵两万迎敌。
八月，曹操率军进据黄河北岸重镇黎阳。派臧霸率精兵入青州一带，防止袁军从东面袭击许昌。留于禁屯兵延津，令刘延守白马，以防止袁军渡河南下,此为第一道防线。九月，曹操还许昌，置主力在官渡筑垒固守，为第二道防线。官渡为袁绍进攻许昌的咽喉之地。12月，曹操复还官渡，亲自坐镇，严阵以待袁军来犯。
正当曹操全力以赴布置对袁作战时，刘备起兵反叛曹操，杀曹徐州刺史车胄，占据下邳，屯兵沛县，并积极与袁绍联络，欲合力夹攻曹操。曹操分析了眼前的形势，认为“夫刘备，人杰也，今不击，必为后患。袁绍虽有大志，而见事迟，必不动也”。遂于建安五年（200年）年正月，率精兵东征刘备，一举占领沛县，收复徐州，转攻下邳，并迫降了关羽。刘备全军溃败，仅带少数兵马逃往河北投奔袁绍去了。曹操获胜后，还军官渡，以迎战袁绍。
建安五年（200年）二月，袁绍亲率大军进驻黎阳，派遣郭图、淳于琼、颜良进攻东郡太守刘延驻守的白马，刘延兵势微弱，被颜良军围困，情况紧急。四月，曹操决定率兵救刘延。他采纳谋士荀攸的建议，先自引兵到延津，佯装渡河袭击袁绍的后方，袁绍当即分兵西应。曹操却乘机率一支精兵向东奔袭白马，颜良措手不及，被关羽斩杀，白马之围遂被解出。袁绍又派大将文丑与刘备率五六千骑步兵渡河追击曹军。曹军当时只有骑兵五百余骑，危急之中，曹操令众骑兵解鞍放马，又将辎重丢弃在袁军来的路上。不久，文丑兵到，见到曹军丢弃的马匹、辎重后，你争我抢，乱作一团。曹操见此，命其500多骑兵立即上马，向袁军冲杀，袁军顿时溃败，大将文丑被斩首。此番曹军连斩颜良、文丑两员河北名将，袁军大为震动。袁绍下令退军阳武。曹操也还军官渡固守。
八月，袁绍兵临官渡，依沙堆立营，东西数十里。曹操也分营与袁军对峙。九月，曹军出击，但战斗不顺。当时曹操兵不满一万，且十有二三为伤兵，只好退回营垒坚守。 袁军见此，便堆起土山，筑高橹，用箭俯射曹营，使曹军士兵只能蒙盾而行。为了扭转这种被动局面，曹操命工匠连夜赶造霹雳车，向袁军还以飞石，摧毁了袁军的橹楼。 袁绍又命士卒挖地道袭击曹营，曹军也针锋相对，在营内掘地壕以对抗。曹操又闻袁绍的几千车军粮即将运至官渡大营，他立刻派大将徐晃、史涣截击，将袁军粮草全部烧毁。
双方相峙月余，曹军粮草将尽，士卒疲乏，于是曹操寻机与袁绍决战。建安五年（200年）十月，袁绍又派车运粮，命淳于琼等五人率兵万余人护卫，将粮屯积在袁军大营以北四十里的乌巢。谋臣许攸建议袁绍派轻骑趁夜突袭许昌，袁绍不予采纳。恰这时许攸家中有人犯法，被其政敌审配扣押。许攸一怒之下，投奔曹操，并献计曹操奇袭乌巢。许攸之计正合曹操寻找战机，出奇制胜的心意。于是曹操当机立断，留曹洪、荀攸守官渡大营，自己亲率步骑五千人，连夜出发，一路扮着袁军，骗过袁军哨卡。到达乌巢后，即围住粮屯放火，及至天明。淳于琼才见曹军兵少，于是出垒迎战。曹操挥军冲杀，袁军抵挡不住，被迫推回营垒坚守。这时，袁绍一面派骑兵救乌巢，一面命张合阝、高览攻打曹军官渡大营，企图使曹操退无所归。当增援的袁军骑兵逼近乌巢时，左右报请曹操分兵抵挡，曹操大怒说：“敌兵到了我背后才再告诉我！”于是士卒皆殊死拼杀，大破乌巢守军，擒杀袁将淳于琼。攻打曹军大营的张合阝、高览二将闻淳于琼兵败，又闻袁绍对他们二人起疑心，遂于阵前投降曹操。曹操乘势挥军掩杀，袁军大溃，袁绍及其儿子袁谭只带了八百余骑，仓惶逃往河北。
官渡之战，经过一年多的对峙，至此以曹操的全面胜利而告结束。曹操以两万左右的兵力，出奇制胜，击败袁军十万。这个战例成为中国历史上以弱胜强，以少胜多的典型战例。曹操以其非凡的才智和勇气，写下了他军事生涯最辉煌的一页。建安七年（202年），袁绍因兵败忧郁而死，曹操乘机彻底击灭了袁氏军事集团，建安十二年（207）年，曹操又征服乌桓，至此，战乱多时的北方实现了统一。
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