曹操击溃刘备，迅即返回官渡，重新部署前哨兵马，严阵以待。袁绍在曹操趋兵而东，阵地空虚之时，不接受田丰建议“举军而袭其后”,现在曹操已经打败了刘备，而士气正旺，诸将大加佩服曹操用兵神明的时候，他倒急于击操攻许了。
袁绍准备攻许，别驾田丰说：
曹操既破刘备，则许下非复空虚，且操善用兵，变化无方，众虽少，未可轻也，今不如久持之。将军据山河之固，拥四州之众，外结英雄，内修农战，然后简其精锐，分为奇兵，乘虚迭出以扰河南，救右则击其左，救左则击其右，使敌疲于奔命，不得安业，我未劳而彼已困，不及三年，可坐克也。今释庙胜之策而决成败于一战，若不如志，悔无及也。
应该说，田丰所献疲敌的战术是很可取的。但袁绍其人刚愎自用，根本听不进去。田丰又不识时务，坚持己见，反复陈说，把袁绍惹火了。袁绍以为田丰是有意“沮众”,令人将其铐上大架，押回邺城大牢。
田丰被囚，诸将无复敢言。袁绍即命陈琳作檄文，发往各州郡，数曹操之罪恶。
檄文对曹操做了完全彻底的否定剖析，很有煽动力、感染力。文中所列事实虽多实有，但由于站在敌对的角度分析问题，当然亦多夸张、愤懑、攻击之词。
讨伐曹操的檄文发出后，袁绍遂于二月进军黎阳。这时袁绍的属将，甚至是一些主要将领对讨伐曹操都毫无信心。沮授临行，散资财给其宗族，悲观地对其弟说： “以曹兖州之明略，又挟天子以为资，我虽克伯珪(公孙瓒),众实疲敝，而主骄将汰(侈),军之破败，在此举矣。”相反，曹操诸军倒是信心十足、士气大振。振威将军程昱以七百兵守鄄城，曹操想给他增兵二千，程昱不肯，曹操赞誉程昱之胆“过于贲、育”。贲指孟贲，育指夏育，皆古之勇士。
袁绍遣其将郭图、淳于琼和颜良渡河攻东郡太守刘延于白马(今河南滑县境)。夏四月，曹操北救刘延，荀攸对曹操说： “今兵少不敌，分其势乃可。公到延津(今河南延津境，在白马以西),若将渡兵向其后者，绍必西应之，然后轻兵袭白马，掩其不备，颜良可禽也。”曹操采纳了荀攸的计策，引兵西向延津。袁绍闻曹操将渡河击其后，立即分兵西应；曹操乃引军东趋白马，直到离颜良营地十余里，颜良才发现曹军，大惊，仓促迎战。操使裨将军张辽、偏将军关羽(此前，正月曹操击溃刘备，擒关羽以归，拜偏将军)为先锋率先击敌，关羽“望见良麾盖，策马刺良于万众之中，斩其首还，绍诸将莫能当者，遂解白马围”。曹操“声东击西”的战术获得了圆满成功。关羽斩颜良立了大功，曹操表封羽为汉寿亭侯。
曹操解白马围，然后“徙其民，循河而西”。对此，袁绍十分气恼，于是率兵渡河追击曹操。沮授谏阻袁绍说：
“胜负变化，不可不详。今宜留屯延津，分兵官渡，若其克获，还迎不晚。设有其难，众弗可还。”袁绍不从，授知必败，在即将渡河的时候不禁长叹： “上盈其志，下务其功，悠悠黄河，吾其不反乎!”遂以疾辞。袁绍对沮授既阻其军，又要辞官，非常痛恨，于是又分其所部兵马一部归郭图统率。
袁绍率军至延津南，曹操勒兵驻营白马山南阪下，立即酝酿成诱敌之计。他令登高瞭望来敌情况。嘹望哨先是报告大约有五六百骑来到，继而报告又来了一些骑兵和不可胜数的步兵。曹操说，不用报告了。遂令骑兵“解鞍放马”。是时，自白马撤下的辎重都放在路上。诸将以为敌骑多，不如还保营。荀攸明白曹操的计谋，对大家说： “此所以饵敌，如何去之。”不久，袁绍将文丑和刘备将五六千骑先后来到，诸将说，可以上马了。曹操说，没到时候。不一会儿，敌骑来得更多了，而且分头争抢辎重。曹操说，可以上马了。这时曹操骑兵不满六百，纵兵而出，大破袁绍军五六千骑，斩其将文丑。曹操的诱敌战术获得了成功。
颜良、文丑都是袁绍手下的名将。刚刚接战，袁绍即失两员大将，全军为之震动，士气大减。
曹操斩颜良、诛文丑，首战告捷，均为谋胜而非兵胜。这是曹操军事思想的胜利。无疑，这又一次激励了全军士气。一方“气减”,一方“气盛”,未来之战局，便不难料定了。
曹操斩颜良、诛文丑后，军还官渡，袁绍则屯阳武，两军处在相持态势中。秋七月，汝南黄巾起义军余部刘辟等人叛变曹操而归附袁绍，袁绍遣刘备率兵助刘辟，郡县多响应。刘备攻略汝、颍之间，自许昌以南，吏民不安。曹操于是命曹仁率骑攻击刘备，刘备大败又还走袁绍。
袁绍在遣刘备、韩荀分东西两路南向以抄许后的同时，自率大军由延津进驻阳武(今河南原阳东南),准备寻找机会同曹操决战。沮授又提出不同意见，认为应该以持久战对付曹操，校尉张邰也不同意与曹操在这时决战，认为应当密遣轻骑抄略曹操的南方。这样，曹军就会不攻自败。袁绍听不进沮授、张郃意见，遂于八月又将大军连营向前推进，在原武(今河南原阳)官渡以北一线布兵，东西数十里。曹操分兵相应，并急调屯兵原武的于禁军回守官渡。九月初一，曹操趁日食之日出兵与袁绍交战，不利，复还，坚壁。袁绍大军逼近官渡，双方展开了工程战。
绍为高橹(无顶楼),起土山，射(曹)营中，(曹)营中皆蒙楣，众大惧；太祖(操)乃为发石车，击绍楼，皆破。绍众号曰霹雳车。绍为地道欲袭太祖营，太祖辄于内为长堑以拒之。
在这场斗智斗勇的战斗中，曹操以自己的聪明才智保住了自己的营垒，抑制住了袁绍的袭击。
这时，曹操众少粮尽，士卒疲乏，百姓困于征赋，不少人叛变归附袁绍；后方官员，甚至许昌的官员和军中的将领，也有暗通袁绍者。曹操有点忧虑，写信给留守于许的荀彧，表露出放弃官渡而还保许的事，荀彧立即回信说：今军食虽少，未若楚、汉在荥阳、成皋间也。是时刘、项莫肯先退，先退者势屈也。公以十分居一之众，画地而守之，扼其喉而不得进，已半年矣。情见势竭，必将有变，此用奇之时，不可失也。
曹操与袁绍不同之处就在于他愿意而且善于听取属下的合理建议。他按照荀彧的意见办，顶住困难，坚壁对敌，同时积极窥测动向，捕捉战机，谋划用奇招而置敌于死地。
曹操首先是在袁绍的军粮方面打主意。这时探子报知，有袁绍运粮车千乘至官渡，曹操采用荀攸的建议，即以偏将军徐晃和史涣击走袁绍护粮将韩猛，“烧其辎重”。
是年冬十月，袁绍再次遣车运粮，使其将淳于琼等率兵万余人护送，宿袁绍本营以北四十里的故市、乌巢。沮授怕有失，劝袁绍另派步兵校尉蒋奇率军在外保护，以防止曹操偷袭，袁绍不听。此期间，谋士许攸向袁绍进乘虚攻许之策，说： “曹操兵少而悉师拒我，许下余守，势必空弱。若分遣轻军，星行夜袭，许拔则操成禽。如其未溃，可令首尾奔命，破之必也。”袁绍很固执认死理，一定要“先取操”,别的策略全不考虑。
正在此时，许攸家中人犯法，被审配抓起来，许攸对此很是生气，于是投奔了曹操。曹操闻许攸来，来不及穿鞋子，赤足出迎，抚掌笑曰： “子远(许攸),卿来，吾事济矣。”许攸问操： “袁氏军盛，何以待之?今有几粮乎?”操曰：“尚可支一岁。”攸曰： “无是，更言之。”操曰： “可支半岁。”攸曰： “足下不欲破袁氏邪，何言之不实也。”操曰： “向言戏之耳。其实可一月，为之奈何?”攸曰：“公孤军独守，外无救援而粮谷已尽，此危急之日也。今袁氏辎重有万余乘，在故市、乌巢，屯军无严备，今以轻兵袭之，不意而至，燔其积聚，不过三日，袁氏自败也。”曹操大喜，于是留曹洪、荀攸守营，亲自率领步骑五千人，皆用袁军旗号，人衔枚，马缚口，夜从间道出，每人抱着一束干柴，路上有人问，则答曰： “袁公恐曹操抄略后军，遣兵以益备。”闻者信以为真。路上没有遇到什么阻碍，便到了乌巢。既至，迅即包围了淳于琼的屯营，大放火，淳于琼营中大乱。时已天亮，淳于琼见曹操兵少，出战，不利，被曹操兵击回。
袁绍闻曹操袭乌巢，不听张郃“先往救之”的建议，仅以轻骑救淳于琼，而以重兵攻操老营。曹操在乌巢又一次用了“置之死地而后生”的策略。
这时，曹操又一次忘乎所以，暴露出他嗜杀残酷的一面。他将淳于琼以及士卒千余人的鼻子割下来，牛马割唇舌，以示袁绍军，袁绍军将士无不为之战栗。
袁绍军大败，张郃、高览等人归降曹操。绍军惊扰，大溃，袁绍与袁谭等弃军去，仅与八百骑渡河，至黎阳北岸，入其将军蒋义渠营。
袁绍余众来降，曹操认为他们是被迫伪降，所以统统杀掉，尽坑之，前后所杀八万余人。
曹操为人的两面性常在同时同地表现出来，就在他大杀降俘的时候，清查袁绍文件，得许下及军中人给袁绍的信，即令全部烧掉，说： “当绍之强，孤犹不能自保，况众人乎?”表现出宽容大度的一面。
官渡大胜，曹操遂上言朝廷报捷，尽述袁氏兄弟蓄谋称帝的罪恶，指出“绍宗族累世受国重恩，而凶逆无道，乃至于此”,然后讲自己“辄勒兵马，与战官渡，乘圣朝之威，得斩绍大将淳于琼等八人首，遂大破溃。绍与子谭轻身迸走。凡斩首七万余级，辎重财物巨亿”。
官渡之战，曹操以少胜多大败袁绍。现在看来，曹操之所以取得胜利至少有以下几点原因：
第一，奉天子以令下臣，其众虽少，却是王者师，出师有名，讨逆伐邪，正义在己。正义之师，其气自盛，其势易壮。两军相敌，义者胜。
第二，长于从善。曹操也有刚愎自用的时候，但与袁绍相比，特别是官渡之战期间，曹操自始至终都很注意听取属下意见，而且随时融入自己的思想，变为行动。他采用了荀彧、荀攸、贾诩等谋臣和新投来附的许攸的建议，这些建议都发挥了至关重要的作用。而袁绍则完全不同，他拒绝接受、许攸、张郃的正确意见，其果是坐失良机，失误频出。
第三，将士精练。曹操以比袁绍少得多的兵力抗击袁绍，虽然有时将领也有畏惧表现，但总的来说士气较高。原因就在将士训练有素。这一点，不仅郭嘉等人自诩，即使旁观者和自己的敌人也不能不承认，如凉州从事杨阜说曹操“法一而兵精”,沮授称“北兵虽众而劲果不及南”,等等。
第四，善于用奇。曹操善于用兵，世人都认可。自己的人，郭嘉誉其为“得策辄行，应变无穷”;敌方的谋臣，田丰称其为“变化无方(没有一定之规),众虽少，未可轻也”。的确是这样，前后数战，无不有奇。诸如，不在沿河御敌，而退保官渡布防，先让一步，后发制人；声东击西趋兵救白马，斩颜良；饵敌轻进斩文丑；抓住时机，巧用时间差，击溃刘备；坚壁守垒以老绍兵；出其不意纵兵烧敌辎重；打好关键一仗，置军死地而尽燔敌之粮谷，等等。
第五，亲临前线，壮己志气，灭敌威风。可以看出凡是重要战役，曹操均亲临前线，直接指挥，而且敢于让敌骑逼己背后，一鼓作气而战之。刘备为什么望见曹操旌旗即已胆怯，不战而溃了?原因就在曹操善战有名，具有慑敌之威力。火烧乌巢，为什么袁绍大将淳于琼轻易授首?亦当曹操亲临，士兵奋战，敌兵气夺之故也。