建安十一年(206),曹操攻拔壶关，平定并州后，自西而东，长驱至淳于(今山东安丘东北),遣将乐进、李典讨伐长广(今山东莱阳东)起义军管承，管承走入海岛；又遣于禁讨斩昌豨(豨系降而复叛)于东海。北方大股军事势力均已平定。与此同时，曹操废除齐、北海、阜陵、下邳、常山、甘陵、济阴、平原八个汉室势力，使其大大削弱。建安十二年(207)二月，曹操自淳于还邺，大封功臣，作《封功臣令》。
吾起义兵诛暴乱，于今十九年，所征必克，岂吾功哉?乃贤士大夫之力也。天下虽未悉定，吾当要与贤士大夫共定之；而专飨其劳，吾何以安焉!其促定功行赏。
于是，曹操大封功臣二十余人，皆为列侯，其余各以次受封，并免除战死者遗孤的赋役。曹操及时封功授赏是其高明之处，是他鉴往知今的体现。这一点，不仅异于“外宽内忌，用人而疑之”的袁绍，而且也大异于昔日的楚霸王项羽，印信已经刻就仍不愿给人家。所以，对于诸将是极大的激励。
以上诸项，特别是平定北方多股军事势力和大封功臣，实际都是为他下一步的行动，即出兵乌桓，做军事上和精神上的动员和准备。
乌桓亦称乌丸，本东胡之一部。《后汉书·乌桓传》称： “汉初，匈奴冒顿灭其国，余类保乌桓山，因以为号焉。”俗善骑射，居无常处，食肉饮酪，以毛毳为衣，贵少而贱老，其性悍塞，有勇健能理决斗讼者，推为大人。乌桓长期臣服于匈奴，每年都要给匈奴贡献牛马羊皮。西汉武帝时骠骑将军霍去病击匈奴左地，因徙乌桓于上谷(治今河北怀来东南)、渔阳(治今北京密云西南)、右北平(初治辽宁凌源西南，徙治河北丰润东南)、辽西(治今辽宁义县西)、辽东(治今辽宁辽阳北)五郡塞外，始置护乌桓校尉。以后时附时离。东汉灵帝初，乌桓大人上谷有难楼，众九千余落；辽西有丘力居，众五千余落；辽东有苏仆延，众千余落；右北平有乌延，众八百余落，均自称王。汉献帝初平年间，丘力居死，子楼班年少，侄子蹋顿代立，总摄辽东、辽西、右北平三郡。建安初，袁绍与公孙瓒相持，蹋顿遣使到袁绍处求和亲，并助袁绍击破公孙瓒。袁绍假借皇帝的名义赐各部大人皆为单于，并以家人之女为己女嫁给蹋顿。后来，难楼、苏仆延等共奉楼班为单于、蹋顿为王。因为袁绍曾厚待蹋顿，所以袁尚、袁熙兄弟兵败后投奔了他。
先是“三郡乌丸承天下大乱，破幽州，略有汉民十余万户”, “及绍子尚败，奔蹋顿，时幽、冀吏人奔乌桓者十万余户，尚欲凭其兵力，复图中国”。
乌桓势力本来就是为袁氏所用的，现在袁氏兄弟来投，与之相结，顿时成为曹操北方的严重威胁。对曹操来说，乌桓与袁氏兄弟的残余势力，不除不足以安定幽州、冀州，更不能南下江、汉以击刘表、取孙权。曹操为谋大业，从大局考虑，决定出兵征讨乌桓。
曹操用兵甚重粮草，欲征乌桓，但怕军粮难以运达。因此，未曾起兵即作这方面的准备。他采用了董昭的建议，开凿平虏渠与泉州渠入海通运。平虏渠自呼范(今河北滹沱河)入派水(今河北沙河),即今南运河之一段的前身；泉州渠(泉州，治今天津武清西),从沟河口(天津宝坻东)凿入潞河(北京通县境内北运河),皆通入海。
是年五月，重兵至易(今河北雄县北)。郭嘉觉得行军迟缓必误大事，因催促曹操说： “兵贵神速。今千里袭人，辎重多，难以趣利，且彼闻之，必为备，不如留辎重，轻兵兼道以出，掩其不意。”曹操接受了郭嘉的建议，轻兵急进，很快便到达了无终(今天津蓟县)。时值夏雨季节，军不能行，及至秋七月间，雨水更大，滨海低洼之地“泞滞不通”,而且诸多要塞关口都有乌桓兵把守，军队很难通过。这时，随军蓓(今河北景县南)令田畴献上一计，为讨伐乌桓成功起了关键性的作用。
田畴很熟悉周围地形，于是对曹操说明现在走的这条路很难通过， “此道，秋夏每常有水，浅不通车马，深不载舟船，为难久矣”。告诉曹操还有一条近而便的路可走， “旧北平郡治在平冈(今辽宁喀喇沁左翼蒙古族自治县),道出卢龙，达于柳城(今辽宁朝阳南)。自建武以来，陷坏断绝，垂二百载，而尚有微径可从”。并且还向曹操献“掩敌不备”之策， “今虏(乌桓)将以大军(指操军)当由无终，不得进而退，懈弛无备。若嘿四军，从卢龙口(今喜峰口)越白檀(今河北承德市西南)之险，出空虚之地，路近而便，掩其不备，蹋顿之首可不战而禽也”。曹操很是赞同田畴的计策，于是便大张旗鼓地撤兵，在水侧、路旁竖起大木桩，上面写着：
方今暑夏，道路不通，且俟秋冬，乃复进军。
乌桓的探马看到木桩上写的字，以为曹操的大军真的畏难而退了，立即报告了蹋顿。殊不知，曹操即令田畴率领其部下为先导，上徐无山，开山填谷五百里，出卢龙，历平冈，直趋柳城。直到离柳城二百多里的时候，乌桓才发现曹军。袁尚、袁熙与蹋顿及辽西单于楼班、右北平单于乌延等率数万骑兵仓促迎战曹军。这时的乌桓军队尚未整顿好，战斗力当然不强。八月，曹操率小股部队登白狼山(今辽宁凌源东南),与乌桓兵遭遇，俯望乌桓兵甚多，而自己的辎重均在后面，兵士披甲者少，因而有些害怕。史载， “操登高，望虏阵不整，乃纵兵击之，使张辽为前锋，虏众大崩，斩蹋顿及名王以下，胡、汉降者二十万余口”。曹操临危不惧，突袭未阵之敌，既智且勇，表现了一个军事家的气魄。
乌桓辽东单于苏仆延及辽西、右北平诸豪，弃其种人，与袁尚、袁熙投奔辽东太守公孙康。他们的人马仍有数千骑。辽东太守公孙康恃远不服，曹操破乌桓后，这时，有的将领劝曹操乘势征伐公孙康，擒杀袁氏兄弟。曹操对大家说，我已经让公孙康斩送袁尚、袁熙的人头来，不需再用兵了。九月，曹操从柳城撤兵。不久，公孙康真的斩袁尚、袁熙及苏仆延等，将其人头送到曹操军中。将领们奇怪地问： “公还而康斩送尚、熙，何也?”曹操向大家说，这是势之必然。他进而剖析道，公孙康一向惧怕袁尚等人，我如果急攻他们，他们就会联合抵抗我，反之如果缓攻他们，他们因为各怀异心，必然互不相容，所以断定公孙康会杀袁氏兄弟。
这种透彻的分析，显示出一个军事家的聪明才智、料敌能力和对军事环境以及敌方将领能力、心态的了解。所以，诸将无不佩服。
曹操自柳城撤兵，不是由原路返回，而是走南路，向西南方面行进。归途中东临碣石山，以观沧海。十一月返抵易水，代郡乌桓单子普富卢、上郡乌桓单于那楼赶来祝贺，表示归服。建安十三年(208)正月还邺。
曹操北伐乌桓的成功，其意义极为重大：首先，征服乌桓，稳定了北方；其次，彻底消灭袁氏势力，根除了心腹之患；再次，公孙康内附，幽州、冀州不再有重大反对力量存在。诸此表明，曹操在统一北方的逐鹿中已经取得了最后的胜利。