与此同时，许攸则提出偷袭许都的建议，因为此时许攸意识到，曹军倾巢而出，许都定然守备不足，此时若能派轻骑奔袭许都，能既快又省地结束战斗，而且许攸还料到此时的曹军粮草已然不足，若能攻下许都，则断了曹军粮草的来源，到时曹军自会不战而降。
然而，刚愎自用的袁绍没有听进去分毫，无所动作。
这时，袁绍的第二批运粮辎重车队的一万多辆也已到达。袁绍把这些粮食和军用物资都堆积在前线大营的北后方，也就是距离四十里路远的乌巢（今河南延津东南），命令大将淳于琼率军一万余人在乌巢驻扎守护。
事有凑巧，此时有人告发许攸的儿子犯法，袁绍决定要严加惩罚，许攸感到事情不妙，一则自己的儿子犯法自己必然难逃罪责，二来袁绍刚愎自用，败绩必然，不如趁早开溜的好，于是投奔曹操。
曹操光脚迎许攸的故事大家耳熟能详。许攸带着曹操直接烧了袁绍的秘密大粮仓乌巢，没有粮食还打个什么仗，袁绍在实力明显高出好几筹的情况下，被曹操扭转了局势。
袁绍听闻粮草被烧，大怒，而后听了亲信郭图的意见决定攻打曹操大营。张郃冷静地说：“曹操大营十分坚固，我们恐怕一时半会儿攻不进去。万一淳于琼再被擒，我们全体都要被俘。”
可是，袁绍正在气头上，根本听不进去。他命令张郃、高览带重兵去官渡攻击曹营，只派少数人马去解救乌巢。结果没有料到，曹操的士卒死中求生，奋力搏杀，一鼓作气攻下淳于琼营寨，斩杀淳于琼等将士，还把所剩军粮焚烧一空。随后又击败袁绍的增援部队，俘虏了袁军一千余人，割下了每个人的鼻子；俘获的牛马，割下了每头牛马的嘴唇或舌头，然后驱逐他们回袁绍大营。
张郃、高览攻打曹军大营，遭到曹军奋力抵抗。左边杀出夏侯惇、夏侯渊，右边杀出曹仁、李典，三路夹攻。袁军正想撤退，却遭到曹操人马从乌巢赶回，四下围住厮杀。张郃、高览不敌，只得夺路逃回。
袁绍不解，分明是自己兵队占优势，为何会被打得如此惨败。袁绍身旁的郭图谗言进谏，想要拿高览、张郃问罪。高览大失所望，对张郃说：“袁绍听信谗言，迟早会败，不如我们去投奔曹操吧！”张郃看到袁绍这样对待自己，也只好同意投奔曹操。
二人带着自己的兵马投奔曹操，留守大营的曹洪对张郃、高览两位的投降，不敢相信，荀攸倒是一眼看穿其中的原因，便说：“张郃足智多谋，在袁绍麾下确实屈才。况且，他的计谋并不被采纳，这才是他归附的真心，你不必担心。”曹洪这才放心让他们入营。曹操回营后，听说张郃、高览两位大将前来投降，十分高兴，立即封他们为将军。
袁绍大军连连失利，几名大将被斩杀，几名谋士投降曹操，使得袁军上下惊恐，不知所措，军心动摇。许攸劝曹操趁机火速进攻。张郃、高览打头阵，曹操采纳了这样的建议。当天夜里，曹军兵分三路出兵，袭击袁军，袁军被打败。
而后，曹操又同荀攸商议，扬言曹军已兵分两路，一路去夺取酸枣，直接进攻袁绍的大本营邺城；另一路取道黎阳，断了袁军的归路。这消息传到了袁军大营中。顷刻间，袁军士兵崩溃，四散逃命。不得已之下，袁绍只好与袁谭慌忙逃走。慌乱之际，甚至没有披上战甲，只得用丝巾包住了头发，率领剩下的八百余步骑兵，北渡黄河。而曹军一路追杀，直到袁绍渡过黄河为止。而后，曹军又把袁绍大营中的贵重物品全部占有。
此次官渡之战，虽然曹操只有三四万人马，袁绍有十万余人马，最后，曹军却杀死袁兵七八万人马。
沮授没来得及追随袁绍渡河，结果被曹军俘虏。不过，他不仅没有示弱，反而大喊：“我不是投降的，我是被俘的。”曹操念在自己与沮授是老友的份上，亲自出帐迎接他，说：“当下兵荒马乱，我们无法相互联系，想不到今天在这里见到你了。”沮授无奈地说：“袁绍不能听信良策，自取其辱；而我没有投到明主，使才智不能施展，理应得到这样的惩罚。”
“袁绍没有军事和政治智慧，不会欣赏你的谋略。但天下大乱，正是需要你的时候。希望能跟你共同磋商。”曹操恳切地说。
沮授只好又说：“我叔父跟兄弟的性命都握在袁绍手里，我若是投奔于你，他们就会被杀。所以，请您尽快杀了我吧。”
曹操叹息说：“我要是能早点得到您的帮助，天下的事都不必担心了。”说罢，便命令部下把沮授给释放了，还给予了他特别厚待。但是不久之后，沮授想要偷偷逃回北方，曹操无奈之下，只好把这位一心逃走的好友处决了。
建安五年（公元200年），曹操在官渡之战中以少胜多，击败了北方最大的割据势力袁绍，从而更加巩固了自己在中原及北方的地位，为统一北方奠定了基础。而这一年，他四十六岁。
建安六年（公元201年）春，曹操想利用袁绍刚刚被击败，不会轻易兵下南方的机会，借机攻打南面的荆州刘表。还把大军移到了大丰收的安民（今山东东平西南）一带，以解决军粮问题。
荀彧认为曹操的这一策略不够缜密，便十分冷静地分析了当前形势，说道：“袁绍刚刚被击溃，军心势必不稳，人心涣散。我们应该就此机会一举歼灭，以除大患。如果南征，路途不仅遥远，运输粮食也是个问题。要是袁绍再重整大军，乘虚而入，我们将陷入被动的状态啊！”
曹操听罢，觉得十分有道理，便搁置了攻打南方的计划。当年夏天，曹操为了震慑袁绍大军，沿着黄河示威，并击破驻防仓亭（今山东东阿）的袁绍部队。
到了秋天，曹操回到都城许县。却闻讯刘备受袁绍之命，侵扰汝南，曹操便亲自率军进攻汝南。刘备不是曹军的对手，难以抵挡猛烈的攻击，弃城去荆州投奔了刘表。
次年正月，曹军在河南谯县整顿三个月，再次北上，进驻官渡，准备向袁绍的大本营邺城进军，意图一举歼灭袁绍。