袁绍兼四州之地，拥兵十万，实力远在曹操之上，曹军“诸将以为不可敌”。荀彧、郭嘉详细分析了双方的短长，曹操也激励众将说：袁绍“志大而智小，色厉而胆薄，忌克而少威，兵多并分画不明，将骄而政令不一”，是能够战胜的。由此，曹操集团才增强了决战的信心。

建安四年（199）八月，曹军进至黎阳（今河南浚县），九月，退守官渡（今河南中牟县）。次年正月，袁绍发布讨曹檄文，二月，大军开进黎阳。同时，派大将颜良渡过黄河，围白马（今河南滑县），攻曹东郡太守刘延，曹操听从荀攸分兵声东击西之计，领兵自官渡北向延津（今河南延津），佯装去抄袁绍后方。袁绍中计，分兵增援延津。曹操便掉头轻骑兼程直奔白马，颜良仓促应战，被杀，白马之围遂解。袁绍闻讯派兵追赶。曹操将辎重沿路弃置，诱袁军争抢，趁乱出击，大败袁军，斩大将文丑。然后，胜利回师官渡。

袁绍败了两阵，不听谋士劝说，急于求战，进军至官渡，“依沙塠为屯，东西数十里”。曹军也分营对峙，交战失利后，坚壁不战。袁绍利用自己人力、物力的优势，堆土山，居高用箭射击曹军。曹兵在营中往来都必须用盾牌护身。于是，曹操命工匠造“霹雳车”，发射石块打击袁军。袁军又暗中挖地道，企图通入曹营。曹军便在营内挖长沟，破坏袁军地道。两军如此兵来将挡，攻战一月多，不分高下。

曹操兵少粮缺，士卒疲惫，与袁军对抗难以坚持。他打算撤兵，写信去许昌问荀彧。荀彧说，不能后退，只要坚持，胜利有望。于是，曹操坚守官渡，寻找战机。

袁绍大军屯官渡，战线过长，粮食从后方运来，粮秣供给不足。曹操看到袁军这一弱点，用荀攸计，趁袁绍运粮车快到官渡时，派徐晃截击，将袁军几千车军粮一火焚光。袁绍又重新从河北运粮一万多车屯于官渡大营北面的乌巢（今河南延津）。

袁绍谋士许攸屡建良策，不为袁绍所用，反遭忌恨，因而弃袁投曹。曹操听说许攸来奔，高兴得连鞋子也顾不上穿就迎了出去。许攸受到器重，便把袁绍在乌巢屯粮的情报告诉曹操，建策偷袭乌巢，烧毁军粮。荀攸、贾诩也劝曹操依计行事。曹操当机立断，亲率步骑五千，乘夜赶到乌巢，攻寨烧粮。

袁绍得知曹操袭乌巢，执意只派少数人去援救，而以重兵去劫曹军大营。曹操得报后，并不急于回马大营，而是奋力击溃乌巢袁军，将积粮全部烧光。攻打曹营的袁军在曹军的顽强抵抗下，未能获胜，又听说乌巢积粮被毁，无心恋战。此时，张郃、高览等大将受谋士排斥诬陷，投奔曹操，袁军军心动摇。曹操乘机发动全面攻势，袁军一败涂地。袁绍留下大量辎重，狼狈逃回河北。他的八万多将士被俘投降，遭曹操残酷坑杀。

在缴获的文件中，有不少是许昌和曹军中人士暗中与袁绍往来的信件。有人建议以此追查，曹操不同意，说：“那时袁绍强大，我且不能自保，何况众人！”他当众烧掉所有信件，解除属下疑惧，表现了他的宽宏和狡诈。

曹操精通兵法，善于听取部属意见。在官渡之战中，他从黎阳退守官渡，诱敌深入，先取得白马一役的胜利；然后坚壁以待战机，出奇兵烧乌巢之粮，动摇敌人，制造混乱，再全线出战，击溃十万袁军，取得了以少胜多的辉煌战绩。官渡大捷，消灭了袁绍主力，曹操得以统一北方。