建安四年（公元199年）十二月，曹操自率軍屯於官渡（今河南中牟北），準備迎擊袁紹。
劉備在陶謙死後，曾一度出任徐州牧，後徐州被呂布攻占，劉備投奔曹操。曹操認為劉備是個英雄，先後表他為豫州牧、左將軍。曹操攻占徐州不久，淮南袁術準備逃往青州往依袁紹，曹操派劉備去截擊，袁術北上不得，嘔血而死。[]劉備到達下邳後，襲殺徐州刺史車胄，占據徐州，自己屯於小沛。曹操令劉岱、王忠率兵征討，被劉備擊敗。[]
建安五年（公元200年）正月，董承等人謀誅曹操，事泄被殺。曹操決定東征劉備。[]諸將皆說：“與您爭奪天下的人是袁紹，如今袁紹要來討戰，您卻棄之不顧，而要東征劉備，倘若袁紹乘機從背後進攻，該怎麼辦呢？”曹操說：“劉備是人傑，現在不除掉他，以後一定會成為心腹大患。袁紹雖然有遠大的誌向，但反應遲鈍，不會馬上出兵。”於是急速進軍，以迅雷不及掩耳之勢擊破劉備，劉備逃奔袁紹處。[
袁紹是當時北方最強大的一股勢力，也是曹操統一北方最強大的敵人。袁氏一門，自袁紹曾祖袁安以下，“四世居三公位”，“門生故吏遍於天下”，勢力本就很大，後袁紹取得冀、並、幽、青四州之地，實力大增，有軍隊數十萬人。袁紹以其長子袁譚、次子袁熙、外甥高乾分守青、幽、並三州，後方穩固，兵精糧足。他挑選精兵十萬、戰馬萬匹，誌在一舉消滅曹操。
建安五年（公元200年），袁紹命大將顏良等進兵白馬（今河南滑縣），自率大軍進屯黎陽（今河南浚縣東），向曹操發動進攻，拉開了大戰的序幕。曹操的實力比袁紹弱得多，曹操所占的黃河以南地區，是殘破不堪、尚未恢複生產的四戰之地，物資儲備也不如袁紹。其總兵力大概不過幾萬人，投入前線的兵力據《武帝紀》說“兵不滿萬，傷者十二三”。裴鬆之認為此數不準確，曹操的兵力不會如此之少，但曹操兵力遠遜於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，分析了袁紹的性格缺陷：“吾知紹之為人，誌大而智小，色厲而膽薄，忌克而少威”，雖然“兵多而分畫不明，將驕而眾令不一”，在這種情況下，袁紹地盤雖大，糧草雖足，但隻能是“為我奉也”。正是因為對袁紹有很深的認識，曹操才敢於在袁紹將要大軍壓境之時抽身去進攻劉備。
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（今延津北一帶），做出要渡河襲擊袁軍的態勢，吸引袁軍分兵西向，然後突然轉向迅速趕往白馬。曹操軍突然殺到，袁軍措手不及，顏良被將軍關羽斬首[24]，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，立即命文醜、劉備渡河追趕曹操。曹操見追兵漸近，命軍士解鞍放馬，並置輜重於道。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，陣斬文醜。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，東西數十裡，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餘車，派大將淳於瓊等帶萬餘人沿途護送，夜宿於離袁紹大營四十裡的烏巢。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，之後親率精銳步騎五千人，軍隊人銜枚，馬勒口，打著袁軍旗幟，乘夜從小路偷襲烏巢。曹操軍至烏巢，命四麵放火，袁軍大亂，淳於瓊拒營死守。[]袁紹聞知，急忙派兵救援，曹操左右說：“賊騎稍近，請分兵拒之。”曹操大怒說：“賊在背後，乃白！”士卒都拚死力戰，因此大破袁軍，斬淳於瓊等，儘燔其糧草，袁紹派遣的援兵也戰敗而走。起初袁紹聽說曹操襲擊烏巢時，令張合、高覽率重兵圍攻曹軍營地。由於曹軍營地營壘堅固，烏巢先被攻破，張合、高覽等人聞訊率部投曹，袁軍潰散。袁紹與其子袁譚棄軍逃回黃河以北，曹軍大獲全勝。剩餘的袁軍假降，曹操將他們坑殺。曹軍前後斬首七萬餘級，儘獲袁軍輜重圖書珍寶。曹操清點袁紹書信，得到自己部下勾結袁紹的信，儘燒之，說：“當袁紹強大時，孤尚且不能自保，何況眾人呢！”官渡之戰後，冀州諸郡皆舉城歸順曹操。
在客觀上說，官渡之戰中的曹操處於劣勢，但由於他能正確分析客觀條件，善於聽取正確意見，所以能揚長避短，采用正確的戰略戰術，使戰爭向有利於自己的方麵轉化，經過自己主觀上的努力，終於贏得了勝利。此戰之後，曹操擊潰了最大的敵人袁紹，由他統一北方已是大勢所趨。
建安六年（公元201年）四月，曹操揚兵於黃河邊，擊破袁紹在倉亭的駐軍。袁紹在官渡之敗後，收合部隊，平定了反叛的諸郡縣。九月，曹操回到許縣。又南征在汝南的劉備、龔都，劉備投奔劉表，龔都等人皆逃散。
建安七年（公元202年）正月，曹操駐軍譙縣。又到達浚儀縣，治理睢陽渠，又派使者祭祀已故的太尉橋玄。然後，曹操進軍官渡。[]
五月，袁紹病死[]，袁紹之子袁尚繼位，袁譚屯兵黎陽。九月，曹操親自北征，大戰於黎陽，袁譚、袁尚多次戰敗。
建安八年（公元203年）三月，曹操大破黎陽，袁譚、袁尚逃回鄴城。四月，曹操進軍鄴城。五月，曹操引軍退還，留賈信守黎陽。[]不久後，曹操引兵向南，征討劉表，袁譚、袁尚反目成仇，互相攻擊，袁譚不敵袁尚，敗走平原，遣辛毗向曹操乞降求救。當時諸將都懷疑有詐，隻有荀攸勸曹操答應袁譚，曹操說：“我攻打呂布之時，劉表沒有侵犯我方；官渡之戰時，他又不肯幫助袁紹。這隻是個自守的賊子，應該等到以後再來對付他。而袁譚、袁尚狡猾，我正應該趁北方混亂時發動攻擊。就算袁譚挾詐，不肯真心屈服我軍，但我擊破袁尚，奪取他的地盤，對我軍也更加有利。”於是再次北上，袁尚聞訊也退回鄴城。當時，袁尚部將呂曠、呂翔背叛袁尚，率眾投降曹操，曹操封兩人為列侯。[]袁譚私自刻將軍印綬，交給呂曠兩人，呂曠把將軍印送給曹操，曹操說：“我自然知道袁譚會耍些小聰明。他想讓我攻擊袁尚，然後趁機略民聚眾，自以為破袁尚後，實力足以自強，可趁我軍疲敝來與我抗衡。但擊破袁尚後，我的勢力更加強盛，哪可能會疲敝，讓他有機可乘呢？”[305]曹操為了讓袁譚暫時安心，還和袁譚結親，讓自己的兒子曹整娶袁譚的女兒。
建安九年（公元204年）正月，曹操率兵渡過黃河，截斷淇水，引入白溝，作為運糧的通道。二月，袁尚再次出兵攻打袁譚，曹操趁機進軍鄴城。當時蘇由、審配鎮守鄴城，曹操進軍到洹水時，蘇由投降。曹操到達鄴城外，做土山、地道。當時武安長尹楷屯毛城，通上黨糧道。四月，曹操留曹洪攻打鄴城，親自擊破尹楷。又擊破邯鄲的沮鵠。易陽令韓範、涉長梁岐皆舉縣投降。五月，曹操毀土山、地道，作圍塹，決漳水灌城，城中餓死者過半。七月，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，城中鬥誌崩潰。八月，審配的侄子審榮打開東城門，曹操軍一舉攻破鄴城，擒殺審配。之後，曹操哭祭袁紹墓，慰勞袁紹妻子，將袁紹的家人和寶物都還給了袁家，並賜給他們雜繒絮，供養他們家。[]從這一年起，曹操把自己的據點北遷到了冀州的鄴城，政令軍隊此後皆從此出，而許縣則隻留些許官吏。
九月，曹操下令：“河北遭受袁氏之難，不用再上繳今年租賦！”又嚴厲打壓豪強兼並，百姓喜悅。曹操領冀州牧，並上表讓還兗州牧。當初，曹操圍攻鄴城時，袁譚趁機攻取甘陵、安平、勃海、河間，又擊破故安的袁尚敗軍，兼並其眾。曹操寫信給袁譚，責備他負約，與他斷絕婚姻，將他的女兒送回，然後進兵。十二月，曹操進入平原，略定諸縣。
建安十年（公元205年）正月，曹操攻滅袁譚，冀、青二州平定。當初袁尚兵敗後，投奔幽州刺史袁熙。此月，幽州大將焦觸、張南起兵反袁氏，袁尚、袁熙又逃奔三郡烏桓。焦觸自稱幽州刺史，舉郡縣歸附曹操。[]四月，黑山軍首領張燕率領其部眾十餘萬人投降曹操。[]故安人趙犢、霍奴起兵，殺死幽州刺史，三郡烏桓又圍攻鮮於輔於獷平。八月，曹操率兵北征，斬殺趙犢，又渡河救援獷平，烏桓奔走出塞。
當初，袁紹令其外甥高乾領並州。曹操攻破鄴城後，高乾投降了曹操，仍然被任命為並州刺史。而曹操討伐烏丸之時，高乾舉州反曹操，捉拿上黨太守，舉兵守壺口關。曹操遣樂進、李典討伐高乾，高乾退守壺關城。