公元200年，曹操又赶走新据徐州的刘备，控制了黄河以南和长江以北大片地区，开始与占据黄河以北的袁绍争锋，爆发了历史上有名的官渡之战。
在曹操迎接汉献帝到许以前，曹操和袁绍分别在黄河南北发展自己的势力，双方还一直保持着友好的关系。但随着双方势力的扩张，利害冲突也跟踪而来。曹操打着“天子”招牌，纵封赏大权，自为大将军，以袁绍为太尉。袁绍素来骄贵，声望和地位一向在曹操之上，这时，绍耻位在曹操下，不肯接受太尉官职。由于袁绍势力很大，曹操不得不把大将军让给他，而自为司空、行车骑将军。
建安三年曹操擒*吕布，取得徐州，次年三月，袁绍消灭公孙瓒，兼并幽州，于是袁、曹两大势力之间的对立显得更加突出，便不能不以战争相见了。
公元200年二月，袁绍命沮授为监军，亲率10万大军，从邺城出发，进攻曹操的都城许昌。袁绍大军开进黎阳，安营扎寨，将这里作为指挥部，派大将郭图、颜良进攻白马。当时驻守白马的是曹操的东郡太守刘延，守军死伤惨重。而曹操集结在官渡的军队也只不过三四万人。对敌力量悬殊，白马告急。
四月，曹操北上解白马之围，用荀攸计，屯兵延津伪装渡河，好像要攻击袁绍的后方，迷惑袁绍大军渡河，使其分兵西向。目的达到后，曹操自引轻骑，集中徐晃、张辽、关羽等骁将，出其不意奔袭白马。关羽斩颜良，袁军溃败。曹操拔白马之军，迁徙白马百姓沿黄河撤退，丢弃辎重军械，诱袁绍大军渡河来追。
五至六月，袁军渡河至延津。袁绍大将文丑与刘备追击曹军，在延津南白马山中计被斩。颜良、文丑为河北名将，连战皆输，绍军夺气。
与延津之战同时，于禁、乐进又率步骑5000，从延津西渡河奇袭袁军后方，至汲、获嘉二县，焚其堡聚20余屯。
七至九月。袁绍虽然连战皆北，仍凭其兵力优势，密集推进，与曹操相持于官渡。八月，袁军逼近曹寨，依沙为屯，东西数十里，曹军亦分营对垒相持。
袁绍逼近官渡的同时，于七月派刘备迂回曹军后方，与汝南黄巾军联合开辟第二战线。袁军派出的劫粮之军也连连得手。九月，袁曹两军在官渡展开阵地战，曹军寡不敌众，还营坚守。袁军起土山地道强攻，激战异常。两军“相持百余日河南人疲困，多畔应绍”。当时曹军粮少，曹操致书荀彧，打算撤军。荀彧回信曹操，以楚汉相争为喻劝曹操坐持战斗，谋士贾诩支持荀彧的意见，于是曹操派曹仁率领徐晃、史涣等攻破刘备在汝南的策应，还消灭了袁绍断粮道的游击军，使其运输畅通。曹操又用荀攸计，派徐晃等扰乱袁绍后方，烧了袁绍运粮车及其辎重，*其将韩猛。
十月，两军主力决战。袁绍再次派出淳于琼等带兵万余人押运粮车，屯放在袁绍大营北40里的乌巢。沮授与许攸向袁绍建议保护粮草之计，不被袁绍采纳。
许攸见他的计谋不被采纳，心中很是不平。正在这时，留守邺城的审配收捕了许攸家属。许攸一怒之下，投奔曹操，告知袁军储粮虚实，劝曹操轻骑烧粮。当时曹军只有一个月的军粮，为打破僵局，曹操决定出奇制胜。他亲率5000骑兵，冒用袁军旗号，月夜偷袭乌巢。天亮时，曹操抵达淳于琼粮营。淳于琼见曹操兵少，欲邀功利，不护粮草，出营迎战。曹军殊死战，淳于琼战败，粮草被焚。
袁绍闻听乌巢军粮被烧，他不派兵援救淳于琼，反而自作主张认为曹操偷袭乌巢，将计就计，袭击曹操的大本营，以断曹操的归路，遂命大将张郃、高览前去攻打曹军大营。张郃认为这样做是在冒险，建议袁绍不可如此。袁绍不听，张郃等只好攻打官渡曹营。袁军到达官渡，前面遇到曹洪大军的顽强抵抗，后面又受到从乌巢得胜回来的曹操的猛攻，腹背受敌。张郃见袁绍成不了大事，便与高览率军投降了曹操。
粮草被烧，张郃等大军投降，袁军不打自乱，曹军乘胜全面出击。消灭袁军7万多人，袁绍慌忙带着儿子袁谭和800骑兵，渡过黄河北逃。曹操消灭北方最大军阀袁绍的主力，取得了官渡之战的绝对胜利。袁绍从此一蹶不振，建安七年(202年)，袁绍在邺城病死。
