公元207年，曹操率大军北征乌桓，未抵无终，先派使者请田畴出山，又命他的军谋掾委婉致意。田畴命部下快去整理行装，唯恐向曹操报到迟了。这是因为他早已打定了投曹的主意。在此以前，好友邢颙曾告诉他，要先行一步，投曹去做一番平定天下的大事业。田畴就赞扬他是“民之先觉”。当时，有势力的豪强和有名望的士大夫都在观测政治风云，决定自己的去就。稍有眼光的人，大都看出袁绍非托身之主，因为“绍貌宽而内忌，任人而疑其心”（《三国志·荀彧传》），连袁绍的部下，如荀彧、郭嘉、许攸、张郃等，都先后叛归曹操，尤其是官渡之战后，客观形势已经不允许田畴再观望等待了。

曹操任命田畴为司空户曹掾，让官员带领来见自己，向他询问军事。经过交谈，曹操说：“这样的奇才不是我可以使唤的吏员。”于是，举为茂才，拜为蓨令，随军顾问。时值夏季多雨，滨海低洼积水，道路泥泞不通。乌桓又在山上据险扼守，大军不得前进。曹操感到很棘手，问田畴有何良策。田畴说：“这条路常有积水，浅处不通车马，深处不载舟船，这种困难已经很久了。北平郡的旧治平冈，县境有著名的卢龙道。由此道出卢龙塞，可达乌桓首领蹋顿驻扎的柳城。自光武帝时，通柳城的路已塌陷不通，至今近二百年了。不过，有隐蔽小路，可以摸索前行。目下，乌桓会以为大军到无终，遇阻而退，因而防守松懈。如果我们悄悄回军，从卢龙口越过险峻的白檀山，进入无人地带，路近而便。趁其不备，突然袭击，一战可以取下蹋顿的首级。”曹操采纳了这个计策，下令退兵，在水侧路旁的大树上题字做了标记：“现在暑热，路不通，等到秋冬再进军。”蹋顿派出的侦探骑兵看见标记，信以为真。曹操命田畴率部曲为向导，上徐无山，出卢龙塞，过平冈，登上白狼堆。曹军距柳城二百里，乌桓才惊奇地发现。这时，袁绍之子袁尚已败投乌桓，遂与蹋顿率兵前来迎战。曹军阵斩蹋顿，袁尚和少数溃兵逃到辽东太守公孙康那里，也全被斩首。

田畴献策袭破乌桓，是他对曹魏，也是对历史做出的最重要的贡献。乌桓本是汉代一个强大部落，汉初，曾被匈奴破灭其国。后乌桓反抗，与匈奴发生战争。公元前78年，汉朝的大将军霍光派度辽将军范明友追击匈奴，趁乌桓战后疲弱，加以袭击杀戮。乌桓自此与汉结仇，数次攻入塞内。东汉初，大批乌桓部众虽内附，但时叛时服，整个北部边境常受侵扰。尤其是当年内附后多移居辽东、辽西、北平三郡的乌桓部族寇略这三郡更厉害。东汉末，乌桓各部以蹋顿为首的一支最强悍，蹋顿统率三郡乌桓，袁绍曾结其为外援。袁绍官渡败死，袁尚率残部投乌桓。曹操袭破乌桓，彻底消灭了袁氏残余势力，肃清了边境，稳定了新占领区的局势。他南下与刘表、刘备、孙权等争天下，就没有后顾之忧了。因此，田畴的献策，确为曹操立了大功。同时，由于消除了三郡乌桓的侵扰，那里的人民得以安宁从而发展生产。