建安五年（200年），袁紹聽說曹操殺了董國舅和董貴妃，又軟禁了漢獻帝，便抓住這個機會，讓書記官陳琳寫了一篇聲討曹操的檄文，指責曹操陷害忠良、軟禁天子、違法亂紀、驕橫殘暴，還嘲笑曹操身份卑賤，是“贅閹遺醜”，檄文部分內容是：
“父嵩，乞匄攜養，因贓假位，輿金輦璧，輸貨權門，竊盜鼎司，傾覆重器。操贅閹遺醜，本無懿德。僄狡鋒協，好亂樂禍。”
這篇檄文號召天下豪傑共同討伐曹操，檄文一經發出，袁紹便調動了十幾萬大軍向許都進發。
在大部隊出發前，袁紹軍營內部進行了激烈的討論。
謀士田豐認為已經失去前麵的時機，眼下不宜出兵，就勸阻袁紹說：“曹操已經打敗了劉備，許都就不再空虛了。而且曹操擅長用兵，變化無常，人數雖少，不可輕視。現在不如長期堅守。將軍憑藉山嶺黃河的堅固，擁有四個州的人馬，外麵聯合英雄豪傑，內部實行農耕用以備戰。然後挑選精銳部隊，分為奇兵，乘虛而入，襲擾河南。敵人援救右邊，我就攻其左邊；敵人援救左邊，我就攻其右邊，使敵人疲於奔命，人民不能安於本業，我們還沒有疲勞但對方已經困乏，用不了三年，安坐就可戰勝敵人。現在不用廟堂上穩操勝券的計策而想通過一次戰爭去決定成敗，萬一不能如願以償，後悔就來不及了。”
袁紹不聽。田豐極力勸阻，得罪了袁紹，袁紹認為他敗壞軍心，就將田豐關了起來。於是先發布檄文，大舉南下。
其實，從對待謀士的態度，我們就能大致推斷出曹操和袁紹二人最後的命運。曹操手下的謀士有荀彧、郭嘉等人，但袁紹手下的田豐能力不在他們之下，無奈的是，田豐選錯了人，如果跟隨曹操，大概又是另一番結果。官渡之戰敗亡後的袁紹，不但沒有反躬自省，反而惱羞成怒，殺了田豐。
曹操聽聞田豐不在軍中，喜道：“袁紹必敗。”後袁紹敗走，曹操歎道：“假使袁紹用田豐之計，勝敗尚未可知也。”可見曹操識人之深。
袁紹大軍出發前，也派人去遊說劉表、張繡等，希望他們能和自己統一戰線，但他的想法，豈是曹操未曾料到的？荊州地區的長沙太守張羨，以長沙、零陵、桂陽為根據地，在劉表準備答應袁紹請求而攻打曹操時，他先一步響應曹操，就這樣，劉表和張羨打了起來，雙方僵持，劉表也沒有精力再去打曹操了。
而張繡曾是曹操的手下敗將，在袁紹遊說他後，他不但沒有聽袁紹的，反而直接聽了謀臣賈詡的勸告，背叛劉表，歸附了曹操，曹操愛才心切，對張繡不計前嫌，接納了他，這樣，袁紹隻能單打獨鬥了。
此時的關中諸將們對待打得熱火朝天的袁紹和曹操，采取了觀望的態度，涼州（今甘肅東）州長韋端派參謀官楊皋前往許都觀戰，楊皋回來後，諸將們問楊皋雙方戰鬥如何，楊皋說：“袁紹寬容但卻少決斷，計謀層出不窮而不找到選擇，缺乏決斷就難以樹立威信，不能選擇就經常讓自己處於被動，目前看雖然實力更強，但最後必定會失敗，曹操雄才大略，見機行動，能被任用的人不少，且個個精兵強將，一定能成就大事。”
在聽了楊皋的評價後，將領們紛紛傾向於曹操，此時，曹操實行了一係列措施，讓關中重返朝廷，比如，他先派總督察官（知書侍禦史）衛覬代表朝廷鎮守和宣撫關中，衛覬根據關中難民返鄉很多以及各將領的勢力，向荀彧、曹操建議恢複食鹽專賣，獲得的錢財拿去買牛買犁，為難民提供生產的工具，讓這些難民安心勞作，恢複生產，並派司隸校尉鍾繇鎮守關中，維持社會秩序，這些意見曹操全部接納並執行。
而此時，袁紹一意孤行，他命大將軍顏良、文醜為先鋒，劉備殿後，自己則率主力部隊，浩浩****朝許都而來。
袁紹大軍壓境，也引起曹營中一陣騷亂，因為明眼人一看都知道雙方的實力差距，袁紹十萬大軍，而曹操隻有三四萬。
在將領方麵，曹操身邊有張遼、徐晃、夏侯惇、曹洪等；袁紹身邊有張郃、高覽、淳於瓊、韓猛、蔣奇等；在謀士方麵，曹操有荀彧、苟攸、賈詡、劉曄等；袁紹有田豐、沮授、逢紀、許攸、郭圖、審配等，皆是足智多謀之士；曹軍糧草很少，而袁紹糧草充足。
曹操的工程部總監孔融問荀彧：“袁紹地大兵強，田豐、許攸都是他的智囊，審配、逢紀也都忠於他，顏良、文醜更是兩大名將，我們有戰勝的可能嗎？”
荀彧說：“田豐剛而犯上，許攸貪而不治。審配專而無謀，逢紀果而自用。“荀彧這番話的意思是，袁紹手下雖然謀士眾多，但是能幫袁紹治國安邦的卻很少。曹操在聽取大家的意見和自己的考慮後，更增加了與袁紹決戰到底的信心，對地方也增加了一些了解，頓時士氣大振。
接下來，曹操為爭取戰略上的主動，作出如下部署：派臧霸率精兵自琅邪（今山東臨沂北）入青州，占領齊（今山東臨淄）、北海（今山東昌樂）、東安（今山東沂水縣）等地，牽製袁紹，鞏固右翼，防止袁軍從東麵襲擊許都；曹操率兵進據冀州黎陽（今河南浚縣東，黃河北岸），令於禁率步騎二千屯守黃河南岸的重要渡口延津（今河南延津北），協助扼守白馬（今河南滑縣東，黃河南岸）的東郡太守劉延，阻滯袁軍渡河和長驅南下，同時以主力在官渡（今河南中牟東北）一帶築壘固守，以阻擋袁紹從正麵進攻；派人鎮撫關中，拉攏涼州，以穩定翼側。
從以上部署看，曹操所采取的戰略方針，不是分兵把守黃河南岸，而是集中兵力，扼守要隘，重點設防，以逸待勞，後發製人。從當時情勢而言，這種部署是得當的。首先，袁紹兵多而曹操兵少，千裏黃河多處可渡，如分兵把守則防不勝防，不僅難以阻止袁軍南下，而且使自己本已處於劣勢的兵力更加分散。其次，官渡地處鴻溝上遊，瀕臨汴水。鴻溝運河西連虎牢、鞏、洛要隘，東下淮泗，為許都北、東之屏障，是袁紹奪取許都的要津和必爭之地。加上官渡靠近許都，後勤補給也較袁軍方便。
二月時，袁紹的主力部隊到達黎陽（今河南浚縣東北）前線，他派大將顏良出師白馬，以保主力渡河決戰，沮授說：“顏良雖然驍勇，但是性格孤僻，聽不進去別人的意見，雖可以打仗但不是統帥的材料。”袁紹不以為然。
隨後，袁紹進軍黎陽（今河南浚縣東北），派大將顏良進圍白馬，攻東郡太守劉延，以保障主力渡河南進。劉延告急請援。四月，曹操為解除側翼威脅，北救劉延。謀士荀攸建議，率軍先佯裝在延津（今河南汲縣東）渡河，做出襲擊袁軍後方的姿態，誘使袁紹分兵延津。然後，輕兵急進，奔襲白馬，攻其不備。曹操依行其計，袁紹果然分兵向西，挺進延津。曹操趁機引兵向白馬疾進，及距白馬十餘裏時，顏良為“一夫之勇”，不善統兵，震驚之餘，率兵倉促迎戰。曹操派將軍張遼、關羽率先進擊。經過一番交戰，關羽望見了顏良麾蓋（大將所乘戎車，設幢麾、張蓋），在張遼軍隊的掩護下，關羽策馬衝到顏良身邊，在萬眾之中刺死顏良，又拔出腰間佩刀斬其首級而歸。從始至終，袁軍諸將都不能擋住關羽。曹操揮動著自己手中所持“麾”，徐晃等人的後續部隊奉令衝殺。袁軍潰散，遂解白馬之圍。
白馬得勝後，曹操認為在白馬的前哨守不住，於是將其中的人和軍備向西運往延津。
在袁紹準備追擊曹時，沮授站出來勸阻：“勝敗乃兵家常事，目前來看，我們應該留在延津北岸，再分兵去襲擊官渡，一旦我們這一戰勝利了，我們再過河追擊曹操也為時不晚，如果我們一味地南下，隻要遇到什麽困難，就有可能再無退路。”
袁紹被憤怒衝昏了頭腦，哪裏聽得進去，隻管揮師南下，臨渡河時，沮授歎息說：“大將軍狂妄自大，下麵的人隻貪功，看來我隻能離去了。”於是，他稱病辭官，誰料袁紹不準，且經過此事，袁紹對他已經是懷恨在心了，將他手下的兵權奪走，將士兵交給了郭圖。
文醜是袁紹的一員大將，這次袁紹讓他打頭陣，自己和劉備殿後，曹操見袁軍要渡河，讓軍隊在南麵的山坡下紮寨，構建軍事陣地，讓騎兵解下馬鞍，將馬全部放開，又將一些兵器、糧草放到路上，然後隱蔽起來等待命令。曹操靜待戰機，直到袁紹的大隊人馬趕到，正在動手搶奪曹軍有意丟棄的那批輜重馬匹時，才下令發起突然襲擊。由於曹軍猶如“飛將軍從天而降”，袁軍驚惶失措，頓時大亂，大將文醜在混亂中被砍下馬來。
大將被斬，袁軍士卒像沒頭的蒼蠅，東撞西竄，潰不成軍，完全喪失了戰鬥力，又見無處可逃，隻好舉手投降。延津之戰後，曹軍再接再厲，一舉取得了官渡之戰的最終勝利。
最初，曹操喜愛關羽的為人，但觀察了他之後發現他的誌向並不在自己身上，好像不想久留，便讓張遼去探探口風，關羽和張遼在聊天時，關羽說：“曹公如此優待我，我本該追隨曹公，但我受劉備的知遇大恩，且發過誓，要與其同死，絕不能背棄，所以我終有一天會離開曹公，但在我離開之前，我一定會回報曹公。”
這一番話，張遼一字一句地告訴了曹操，曹操不但不怪罪關羽，還十分欽佩他的義氣，在這次的戰爭中，關羽擊斬了顏良，曹操知道關羽離去的日子到了，於是，他對關羽大加賞賜，誰知，關羽將曹操給自己的賞賜全部封存起來，留下一份辭別書，投奔本就在袁紹帳下的劉備。
曹操身邊的將士們告訴曹操要追殺，曹操隻說了幾個字：“人，各為其主，不要追了。”
袁軍初戰失利，但兵力、糧草、軍貨、財力仍然占據明顯的優勢。
後來，曹操回到官渡，沮授向袁紹說：“河北兵雖然人多勢眾但勇猛不如河南兵，河南的糧草、軍貨、財力都不如河北；河南利於速戰速決，河北利於緩慢戰鬥。所以，我們應讓兩軍緩慢相持，拖長戰事。”沮授建議以持久緩進的戰術來消耗曹軍，但袁紹又不聽從。於是，袁紹命令大軍向前推進，渡過黃河，緊靠沙灘安營，東西延綿數十裏，曹操大軍也向兩翼展開，構築陣地，雙方隔空相看。
此時，曹操派往官渡前線的士兵隻有一萬人，而且其中很多將士已經受傷，所以他決定不能拉長戰線，必須速戰速決，但是打了幾次後，根本無法取勝，便退回軍營中，而袁紹在營中堆土成山，建立起高地，然後朝著低處的曹營射箭，曹操的軍營完全暴露在袁軍的視野和射程內，曹軍的官兵們隻好用盾牌護住自己的頭部，才能勉強同行。曹操對工人下令製造出霹靂車（這種車能投擲出巨大的石頭），用來攻擊袁紹壘起來的高樓，袁紹又使用挖地道的方法，曹操則在營內挖掘橫溝阻擋，粉碎了袁軍的計策。雙方相持三個月，曹操外境困難，前方兵少糧缺，士卒疲乏，後方也不穩固，他幾乎失去堅守的信心，寫信給荀彧，商議要退守許都，荀彧回信說：“袁紹將主力集結於官渡，想要與公決勝負。公以至弱當至強，若不能製，必為所乘，這是決定天下大勢的關鍵所在。當年楚、漢在滎陽、成皋之間，劉邦、項羽沒有人肯先退一步，以為先退則勢屈。現在公以一當十，扼守要衝而使袁紹不能前進，已經半年了。情勢已然明朗，絕無回旋的餘地，不久就會發生重大的轉變。這正是出奇製勝的時機，千萬不可坐失。”於是曹操決心繼續堅守待機，同時加強防守，命負責後勤補給的典農中郎將任峻采取十路縱隊為一部，縮短運輸隊的前後距離。
幾天以後，荀彧又為曹操送來一些糧草，曹操對這些運送糧草的士兵說：“辛苦你們了，再堅持十五天，我為你們擊破袁紹，以後你們就不用這麽累來回奔波了。”將士們得到曹操的安撫更有勁兒了。
又過了一段時間，曹操部隊的糧草再度緊張起來，而袁紹第一批運送糧草的幾千輛輜重車已經抵達官渡，曹操很是著急，但是並沒有表現出來，他的謀士荀攸自是了解曹操的，他對曹操說：“袁紹輜重車隊已經到達，他們的押送將領是韓猛，此人勇猛卻輕敵，我們可以一舉拿下。”曹操順勢問應該派誰前往，荀攸說：“徐晃。”於是，曹操隨即命令偏將軍徐晃與史渙共同出擊袁紹車隊，果然大勝，袁紹糧草被燒，得知後氣得直跺腳。
一次，曹操又派使者回許都催促糧草，誰知中途被袁紹的士兵抓到，袁紹的謀士許攸拿到了使者身上曹操向荀彧催糧的信，於是向袁紹獻計說：“曹操兵少，而集中全力來抵抗我軍，許都由剩下的人守衛，防備一定空虛，如果此時派一支隊伍輕裝前進，連夜奔襲，可以攻陷許都。占領許都後，就奉迎天子以討伐曹操，必能捉住曹操。假如他未立刻潰散，也能使他首尾不能兼顧，疲於奔命，一定可將他擊敗。”袁紹不同意，說：“我一定要先捉住曹操。”
許攸很詫異，這樣好的計謀袁紹竟然不采納，此時，又遇到一件事，袁紹的親信審配從鄴城派人送信來，袁紹拆開一看，是許攸的侄子侵吞公款，現在他的一家子已經被收押在監，袁紹看後，發了一通火，還羞辱了一番許攸。
袁紹的第一批輜重車被曹操燒毀後，又有了第二批，這批有一萬多輛車，袁紹將這些糧食和所有的軍用物資都堆積在前線大營的北後方，距離四十公裏遠的烏巢（今河南延津東南），袁紹命大將淳於瓊率軍一萬餘人前往烏巢鎮守。
許攸在被袁紹羞辱以後，十分氣憤，想到自己曾與曹操交好，便索性半夜逃出軍營，投奔了曹操。
曹操聽說許攸來了，跣足出迎，高興地說：“子遠來了，大事可成！”再請許攸入座相談。許攸問到：“貴軍軍糧可以用多久？”曹操答曰：“尚可支持一年。”許攸再說：“哪有這麽多？說真的吧！”曹操再答：“還可以支持半年。”許攸說：“難道你不想打敗袁紹嗎？為何不說真話？”曹操說：“跟你開玩笑而已，其實軍糧隻剩此月的分量。”許攸獻計說：“今孟德孤軍獨守，既無援軍，也無糧草，此乃危急存亡。現在袁軍有糧草存於烏巢，雖然有士兵，但無防備，隻要派輕兵急襲烏巢，燒其糧草，不過三天，袁軍自己敗亡！”
曹操聽到許攸的指點後十分欣喜，立即派荀攸、曹洪等人守住大營，又讓夏侯惇、夏侯淵埋伏在大營左邊，曹仁、李典埋伏在大營右邊，自己則帶五千精兵，改換了袁紹的旗幟和號令，馬口叼著樹枝，用繩子綁住馬嘴，防止混亂中馬嘶鳴，再命張遼、許禇在前，徐晃、於禁殿後，每個士兵都帶著幹草柴火，趁著月黑風高的夜晚，抄小道去了袁營。
袁營看到來人打著自家旗號，並沒有生疑，讓曹兵順利通過，曹兵來到烏巢，已是四更，立即展開包圍，曹操讓隨行的士兵將幹草點燃，然後，擂響戰鼓，趁著夜風，衝向袁營，而袁營中的淳於瓊則與將領們喝得酩酊大醉，遇到突襲的曹軍，自然一片大亂。
袁紹這邊，當曹操奔襲烏巢之時，袁軍部將張郃主張救淳於瓊，他對袁紹說：“曹操親自出馬，必然得手，那麽事情就無可挽回了。”郭圖卻別出心裁地說：“不如乘此時發兵去進攻曹軍大營。”袁紹認為郭圖說得對，隻要攻拔曹營，曹操就無家可歸了。於是派高覽、張郃率領重兵攻擊曹營，而隻派輕騎救援烏巢。
袁紹增援的騎兵到達烏巢，曹操部下說：“敵人的騎兵逐漸靠近，請分兵抵抗。”曹操怒喝道：“敵人到了背後，再來報告！”曹軍士兵都拚死作戰，於是大破袁軍，斬領將眭元進、韓莒子、呂威璜、趙睿等首級，割下淳於瓊的鼻，殺士卒千餘人，將他們所有人的鼻割下，連同牛、馬的舌頭一同送往袁軍，袁軍將士大驚。此戰，曹軍還燒掉了袁軍全部存糧。
淳於瓊為曹將樂進所虜獲，被帶到曹操麵前。曹操問淳於瓊說：“你今天弄成這樣，是什麽緣故？”淳於瓊答：“勝負乃天所控製的，問我幹什麽？”曹操想要留下淳於瓊性命，許攸勸諫說：“以後他照鏡子（看到自己的鼻子被割了），不會忘記今天的（恥辱和仇恨）。”聽完，曹操同意殺淳於瓊。
袁紹這邊，高覽、張郃攻營不下，烏巢大敗的消息已經傳來了，二將無心戀戰，竟自向曹軍投降。
袁紹全軍大亂，一下子全垮了。慌忙之中，袁紹及長子袁譚各單騎逃遁，直奔黃河渡口，隨後又逃來一群騎兵，約有八百騎，渡河至黎陽北岸。這一仗袁紹損失七八萬人，武器、輜重、圖書、珍寶無數。
官渡之戰，經過一年多的對峙，至此以曹操的全麵勝利而告終。曹操以兩萬左右的兵力，出奇製勝，擊破袁軍十萬。這個戰例成為中國曆史上以弱勝強、以少勝多的典型戰例。曹操以其非凡的才智和勇氣，寫下了他軍事生涯最輝煌的一頁。建安七年（202年），袁紹因兵敗憂鬱而死，曹操乘機徹底擊滅了袁氏軍事集團，建安十二年（207年），曹操又征服烏桓，至此，戰亂多時的北方實現了統一。
官渡之戰增強了曹操的實力，為曹操擊潰袁紹，統一北方奠定了堅實的基礎。北方僅有曹操和袁紹勢力較大，擊潰了袁紹，北方就無人能和曹操抗衡。