曹操的兵力也遠不及袁紹，其總兵力大概不過幾萬人，投入前線的兵力據《武帝紀》“兵不滿萬，傷者十二三”。
裴松之認為此數不準確，曹操的兵力不會如此之少，但曹操兵力遠遜于袁紹卻是毫無疑問的。
袁紹大軍來攻，許都震動。曹操安慰眾將：“吾知紹之為人，志大而智，色厲而膽薄，忌克而少威，兵多而分畫不明，將驕而眾令不一，土地雖廣，糧食雖豐，適足以為我奉也。”
二月，袁紹大將顏良等人圍攻白馬，拉開了大戰的序幕。
四月，曹操親自率兵北上解白馬之圍，他采納謀士荀攸之計，先進軍延津（今河南延津北，白馬以西），做出要渡河襲擊袁軍的態勢，吸引袁軍分兵西向，然后突然轉向迅速趕往白馬。
曹操軍突然殺到，袁軍措手不及，顏良被關羽斬首，袁軍大敗，白馬之圍遂解。
曹操救出白馬軍民，沿黃河西撤。
袁紹聞知，立即命文丑、劉備渡河追趕曹操。
曹操見追兵漸近，命軍士解鞍放馬，并置輜重于道。袁軍追兵大至，爭搶輜重，陣形混亂。
曹操率領僅有的騎兵突然殺出，大破追兵，陣斬文丑。袁軍大震。曹操初戰得勝，主動撤軍，繼續扼守官渡。
八月，袁紹大軍連營而進，東西數十里，依沙堆為屯，進逼官渡。曹操分兵堅守營壘，伺機而動。
袁軍向曹營發動猛攻，先是作高櫓、起土山，由上向曹營中射箭，接著又挖地道，欲從地下襲擊曹營，皆被曹操以設投石機、挖掘溝壑之法破解。
兩軍一攻一守，相持近二個月。久戰之下，曹操處境極為困難。
十月，袁紹從河北運來糧草萬余車，派大將淳于瓊等帶萬余人看守，屯于離袁紹大營四十里的烏巢。
這時袁紹謀士許攸因向袁紹獻偷襲許都之計不成，且在河北的家眷犯法被抓，心生悔恨，而來投曹操，獻計讓曹操偷襲烏巢。
曹操大喜，跣足出迎，之后親率精銳步騎五千人，軍隊人銜枚，馬勒口，換袁軍軍裝乘夜從路偷襲烏巢。
曹操軍至烏巢，命四面放火，袁軍大亂，淳于瓊拒營死守。
袁紹聞知，急忙派兵救援，曹操左右見“賊騎稍近，請分兵拒之。”曹操大怒：“賊在背后，乃白！”
士卒都拼死力戰，因此大破袁軍，斬淳于瓊等，盡燔其糧草。
而當袁紹聽曹操襲擊烏巢時，認為這正是攻破曹操大營的好機會，因此派去的援兵很少，而以重兵圍攻曹操大營。
由于曹操預留兵力精且多，曹營未破，烏巢敗訊已經傳來，大將張郃、高覽等人率部投降曹操，袁軍潰散。袁紹棄軍逃回黃河以北。
曹軍大獲全勝，斬首七萬余級，盡獲袁軍輜重圖書珍寶。
曹操清袁紹書信，得到自己部下勾結袁紹的信，盡燒之，：“當紹之強，孤猶不能自保，而況眾人乎！”
客觀條件上，曹操處于劣勢，但由于他能正確分析客觀條件，善于聽取別人的正確意見，所以能揚長避短，采用正確的戰略戰術，使戰爭向有利于自己的方面轉化，經過自己主觀上的努力，終于贏得了勝利。
官渡之戰，曹操擊潰了最大的敵人袁紹，由他統一北方已是大勢所趨。官渡之戰也是中國戰爭史上以少勝多、以弱勝強的著名戰例。
公元0年（建安七年），袁紹病死，袁紹的兩個兒子袁譚、袁尚不和，發生火拼。袁譚不敵袁尚，向曹操乞降。
公元04年（建安九年）二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁譚之機，進軍圍攻鄴城（今河北臨漳西，河南安陽北）。袁尚率軍回救，依滏水（今滏陽河）為營，曹操進軍將其營寨包圍。
袁尚害怕，請求投降，曹操不許。袁尚乘夜逃跑，袁軍潰散。
袁尚逃奔中山（今河北定縣）。曹操命人拿著繳獲袁尚的印綬節鉞招降鄴城守軍，城中斗志崩潰。鄴城遂被曹操攻破。
從這一年起，曹操把自己的據北遷到了冀州鄴城，政令軍隊此后皆從此出，而漢獻帝的都城許縣則只留些許官吏。
公元05年（建安十年）正月，曹操又以負約為名，攻滅袁譚，冀、青二州平定。
于是，曹操上表讓還兗州牧，改任冀州牧。袁尚兵敗后，逃奔幽州刺史袁熙。不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡烏桓。
公元06年（建安十一年），曹操攻滅高干，平定并州。
公元07年（建安十二年），曹操為了肅清袁氏殘余勢力，也為了徹底解決三郡烏桓入塞為害問題，決定遠征烏桓。
漢末，遼西、遼東、右北平三郡烏桓結合，是為三郡烏桓，其首領為遼西部的蹋頓。
三郡烏桓與袁氏關系一直很好，并屢次侵擾邊境，擄掠人口財物。
這年五月，曹操親率大軍到達無終（今薊縣）。
時正雨季，道路積水，“淺不通車馬，深不載舟船”。曹操從無終人田疇之議，改從一條久已斷絕，但“尚有微徑可尋”的路線進軍。
在田疇的引導下，曹操大軍登徐無山（今河北玉田北），出盧龍塞（今河北喜峰口附近），“塹山堙谷五百余里”，直指烏桓老巢柳城（今遼寧朝陽南）。
八月，曹軍進至離柳城不足二百里時，烏桓才發現，于是蹋頓與袁尚、袁熙等人率數萬騎兵迎擊。
二軍相遇，時曹軍輜重在后，“被甲者少，”而烏桓軍軍勢甚盛。
曹操登高瞭望，見烏桓軍雖多，但陣勢不整，遂命大將張遼為前鋒，乘烏桓軍陣稍動之機，向烏桓軍發動猛攻。
烏桓軍大亂，曹軍陣斬蹋頓，大獲全勝，胡、漢降者二十余萬，袁尚等人逃奔割據平州的公孫康。
這時，有人勸曹操乘勢進擊公孫康，曹操：“吾方使康斬送尚、熙首，不煩兵也。”
遂率軍還師。不久，公孫康果然斬殺袁尚、袁熙，并將其首級獻與曹操。
諸將不明所以，曹操：“彼素畏尚等，吾急之則并力，緩之則自相圖，其勢然也。”于是，曹操攻破三郡烏桓，也徹底肅清了袁氏勢力。
十一月至易水，代郡烏丸行單于普富盧、上郡烏丸行單于那樓將其名王來賀。
同年郭嘉因水土不服、氣候惡劣、日夜急行操勞過度，在曹操北歸前病逝。
歸程途中，據《曹瞞傳》記載：“時寒且旱，二百里無復水，軍又乏食，殺馬數千匹以為糧，鑿地入三十馀丈乃得水。
既還，科問前諫者，眾莫知其故，人人皆懼。公皆厚賞之，曰：‘孤前行，乘危以徼幸，雖得之，天所佐也，故不可以為常。諸君之諫，萬安之計，是以相賞，后勿難言之。’”
公元08年（建安十三年），開辟玄武池訓練水軍。六月，曹操廢三公，恢復丞相制度，并自任漢朝丞相。基本平定北方后，兵鋒轉而南向。
七月，進軍南征荊州劉表。八月，劉表病死，其子劉琮接任荊州牧。
九月，曹操大軍進至新野（今屬河南），劉琮以為無法抵擋，舉荊州之眾投降曹操。
這時，官渡之戰后投奔劉表的劉備屯駐于樊城（今湖北襄樊），聽劉琮投降，便率軍向江陵（今屬湖北）撤退。
江陵為荊州重鎮，存有大量軍用物資。
曹操聽，怕江陵落入劉備之手，遂親率五千騎兵從襄陽（今湖北襄樊）疾馳三百里，在當陽長坂（今湖北當陽東北）將劉備追上，大破其軍，隨后進占江陵。