汉献帝建安五年（公元200年）二月，袁绍任命沮授为监军，统领10万大军，从邺城（今河南省安阳市北）出发，进攻许昌。袁绍则亲率十余万冀州精兵到黄河北岸的黎阳（今河南省浚县东北），建立自己的指挥部。他派大将郭图和颜良进攻和黎阳隔岸相对的白马（今河南省滑骨县东）。袁绍企图引诱曹操离开官渡（今河南中牟县东北），然后一举消灭曹军。沮授向袁绍建议：颜将军虽然勇猛，但骄傲自大，缺少智谋，不适合单独统兵作战。可袁绍固执己见，下令迅速渡河，打下白马。
留守白马的刘延听说袁军来进攻，急忙派人向曹操报告。而此刻，在许昌正展开一场是否抗袁的大辩论。名士孔融被袁绍的表面强大所迷惑，他认为：“袁绍辖地广阔，拥兵数十万，文有田丰、许攸这样的谋上出谋，武有颜良、文丑这样的勇将打仗，还有审配、逄纪这样的忠臣效劳。与哀绍对抗，很难取胜。”许多人听了，都情绪低落，只有一个人挺身而出与孔融抗争，此人就是曹操的主要谋士荀彧。他说：“袁军虽兵多，但法不严。而且田丰刚愎自用，无法与袁绍长期合作；许攸贪心太重，不能顾全大局；审配专断，缺乏谋略；逄纪心胸狭小，又骄傲自大。这些谋士到一起怎么能相容呢？至于颜良、文丑这类武将，皆有勇无谋，擒拿他们，对曹公来说，乃小事一桩。”荀彧这一番话，驳倒了孔融，也激励了将士，增强了胜利的信心。曹操根据大家的建议，决定不和袁绍硬打硬拼，而采取声东击西，避实就虚的打法。曹操亲率大军西进延津（今河南省延津北），以诱惑袁军主力西移，从而麻痹在白马的颜良。果不出曹操所料，袁绍立即命令黎阳的守军赶在曹军渡河之前到达延津渡口，准备同曹军决战。曹军见袁绍中计，就悄悄率领轻骑，急奔白马。而此刻围攻白马的颜良正一心想困死白马城内的军民，他做梦也没想到曹军会在一夜之间赶回东边，同自己决战，所以毫无迎战准备。在仓促应战中，颜良被一匹火红快马上的将军劈下马。袁军失去主将，顿时乱了阵脚。刘延也从城里杀出，同曹操的兵马两面夹击，一举击溃了颜良、郭图的队伍。而那位杀颜良的将军，正是要报答曹操厚恩的关羽。
袁绍得知白马战败，又失掉爱将，十分气恼，紧急命令：全军渡河，西追曹操。沮授急忙劝阻袁绍：“将军，目前大军应该屯在河北岸，只派一路军队攻打河南岸的官渡。如果攻打下了官渡，我们就有了立足之地，然后大军方可过河。否则贸然渡河，万一有了意外，就可能全军覆灭！”袁绍根本就听不进劝阻，决意渡河。
袁军渡过黄河，抵达延津后，袁绍派大将文丑追击曹操。因为文丑和颜良是好朋友，为了立功和替颜良报仇，他快马追击。一路上，到处都是曹军丢下的车辆物资，山坡上有许多无主的战马，袁军毫不怀疑这是曹军仓促逃命时丢弃的。于是文丑的部下便争先恐后地跳下马，一窝蜂地去抢夺战利品。其实，他们中了曹操的计谋。此刻，曹操正在山头观望呢！一见文丑的队伍乱了阵，便一声令下，曹兵就从四面八方围冲过来，见了袁军就杀，文丑也同颜良一样，还没明白是哪儿来的神兵大将，脑袋就被劈了下来，袁军全部溃散了。
白马、延津与曹操的两次交手，袁军连连失利，但从总的力量来看，袁军仍占优势。袁绍坚决主张渡河同曹操的主力决战，因为他自恃兵多，不顾沮授的再三劝阻，亲率大军渡过黄河，进驻阳武，又涉过蒗荡渠，直逼官渡。官渡离许昌不到200里，是南北交通的咽喉。如果失掉官渡，那么许昌就失去了屏障。因此曹操尽全力固守官渡，与袁绍相持不下。日子久了，袁绍感到军粮供应困难，就想方设法尽早结束僵持局面。他命令士兵沿曹营阵地推起土山，筑起了望楼，让弓箭手居高临下，寻找机会向曹营射箭，曹军死伤不少。不过，曹军很快就有了对策，他们制造了可以抛发石块的发石车，只要扳遥车上的机关，就可以把大石块远远抛出。发石车抛石时响声如雷，俗称“霹雳车”。袁军的望楼被打得倒坍歪斜，士兵也头破血流，鬼哭狼嚎。袁绍又想起了挖地道灭公孙瓒的战术，就命令士兵偷挖地道，直通曹营。曹操就在军营前抢了一条很深的沟，蓄满水，只要袁绍的地道一挖到壕沟，水就灌入地道，这又破坏了袁绍的计谋。
尽管曹操打败了袁绍的多次进攻，但时间一久，粮草供应越来越困难，简直使曹操陷入一筹莫展的境地。曹操自知比起袁绍，他兵少粮缺，将士们东征西讨，南攻北伐，也太疲劳了，恐怕支撑不了多久，便有意撤军回许都。他写信给荀彧，荀彧回信，借用了当初刘邦、项羽在荥阳、成皋相持的经验，说明现在袁、曹两军，谁先退谁的气势就会受挫。荀彧还表示尽力筹措军粮，支援官渡。曹操从荀彧那里得到了信心，他一边坚守官渡阵地，一边派骑兵四处侦探，寻找出奇制胜的时机。
不久，徐晃的部将打听到袁绍的大将韩猛，从冀州运来军粮数千车，支援袁绍驻兵，即将到达。曹操就派徐晃率骑兵突袭，韩猛毫无戒备，战败而逃，几千车粮食全部被烧光。
时间一晃，袁、曹两军官渡之战已僵持半年之久。曹操急于速战速决，他绞尽脑汁筹划计谋。突有卫兵来报：从袁军那边跑来一个名叫许攸的官员，说有急事求见。许攸是曹操过去的朋友，曹操像对老朋友一样接待了他。许攸是因为在袁绍那里受了委屈，来投奔曹操的。原来，在袁绍轰走沮授后，许攸向他献计说：“曹军兵少，主力又在官渡与我军相持半年之久了，想必都城许昌一定空虚。请将军派一支轻骑兵，赶往许都，一定会毫不费力地得到许昌。”可袁绍却拍着桌案上的文书，瞪着眼睛，对许攸说：“邮城来报告说你的家属犯了法，已被审配逮捕入狱。你连家属都管不好，怎么还敢在我面前出主意呢？”许攸又气又羞，无意留在袁营，连夜投奔曹操。曹操听完，笑着说：“你来到我这儿，大事已经成功了！”许攸向他一一介绍乌巢的粮情和兵情，而且建议曹操派兵去袭击乌巢。他说：“袁绍派在乌巢看守粮仓的淳于琼，是个骄傲自大，喜欢饮酒、警惕性特差的人。只要烧了乌巢的粮草，不出三天，袁军就会不战而乱，您就会结束官渡的相持局面，大获全胜了！”于是曹操就召集谋士们商量袭击乌巢的方案。
经过周密策划后，一天夜里，曹操派曹洪等将军守营，以防袁军前来偷袭。自己和张辽、于禁、徐晃等，精选5000名步骑兵，打上袁军的旗号，悄悄离开了官渡，向乌巢进发。途中碰上袁军哨兵，张辽骗他们说：“我们是蒋奇的人马，是袁将军派来加强乌巢守备的。”而且不等袁军哨军靠近，张辽就走近一步，压低了声音，装出神秘的样子，说：“袁将军听说曹操要来偷袭乌巢，就派我们赶来增援。”袁军哨兵一见旗上斗大的“袁”字，而且因乌巢就在袁军大营之后，怎么也不会有敌人来，便不再怀疑，放他们过去了。黎明以前，曹军抵达了乌巢。而此刻夜夜饮酒的淳于琼睡得正香，袁军还来不及穿衣，曹军就冲了进来。霎时间，粮囤到处起火，浓烟滚滚，直冲云霄，淳于琼也被曹操大将乐进一刀给收拾了，不多久战斗就结束了。
乌巢这边火光冲天，不远处的袁营看得真切。大将张郃劝袁绍立即援助淳于琼，同时切断曹军退路，而袁绍在关键时刻一错再错，听信谗言，置乌巢于不顾，让张郃、高览二将前去袭击曹军大营。张郃苦若劝说：“曹操很会用兵。他既然派精兵去偷袭乌巢，那么官渡的守备也一定不会放松。还是先去援助淳于琼吧！”袁绍仍执迷不悟，张郃、高览只好勉强带兵出发。袁军进攻官渡，遭到曹洪守军的坚决抵抗，背后又受到从乌巢回师官渡的曹军的猛烈攻击。张郃腹背受敌，抵挡不住，加之不满袁绍的虚伪奸诈，就和高览一起投降了曹操。
乌巢粮草被烧，张、高二将投降，袁军果然不战自乱，曹军乘胜全军出击，袁绍还没来得及穿上盔甲，只穿着便服，扎着头巾，带着800名骑兵仓皇逃过了黄河。这些残兵败将们再也无法恢复原来的势力，从此便没有声息了。
这次官渡之战，曹操用极少的兵力战胜了拥兵数十万的袁绍，以弱小的力量战胜了强大的势力。曹军势力大增，乘胜追击，继续向袁绍占领的地区进军，不久就统一了北方，为以后出现三国鼎立的局面奠定了基础。