曹操虽然在白马、延津两战中获胜，却没有改变劣势的处境。袁绍仍有近十万大军，曹操只有三四万人，而且袁军供给充足，曹军粮食不足。因此，袁绍不顾两大战败，仍继续前进。当年7月，袁绍率军到达官渡以北的阳武，安营扎寨，准备进攻。9月，曹军出击未能获胜，曹操便改变战术，筑起深沟高垒，固守阵地，拒不出战。两军相持几个月，仍无结果。
这时，曹操军中粮食将尽，想退守许都。他写信给留在许都的谋士荀彧商量计策。荀彧认为，两军对垒，先退者势屈，劝曹操坚守下去，寻找战机。他还认为，袁绍兵力虽强，但不会用兵。曹操接受了这个建议。一日，曹操从一个俘虏口中得知，有勇无谋的袁军将领韩猛正押运一队粮食前往官渡，立即派人截击粮队，烧毁了几千辆运粮车和大批物资。10月，袁军又运去一万多车粮食，屯集在官渡东北的乌巢。袁绍虽然派了一万人去护卫，但并未采取进一步的防范措施。
为打破两军对峙的僵持局面，袁绍的另一位谋士许攸建议，趁曹操的主力部队集结官渡，许都空虚之机，派一支轻骑走小路夜袭许都，如能成功，占领许都，得到汉献帝，曹操必然坚持不下去；如果攻不下许都，也可以迫使曹操回援，使其疲于奔命。但袁绍自认为实力强大，不把曹操放在眼里，拒不采纳这个建议。许攸感到袁绍如此自大，不懂战术，必定被曹操所败。恰在这时，许攸的家人犯法被袁绍手下的人拘捕。许攸一怒之下，投奔曹操。这时，曹军粮食只够用一个月了，曹操正为此发愁，听说许攸投奔而来，非常高兴，来不及穿鞋便跑出去迎接。许攸告诉曹操，袁军在乌巢囤积大批粮食，劝曹操偷袭。曹操立即带五千精兵，装扮成袁军，每人带一把干柴，趁夜色抄小路前去袭击。曹军顺利到达乌巢，点燃粮屯。袁军守将淳于琼大惊失色，但又不敢迎战，直到天明，见曹军人数不多，才敢出击，结果大败而回。袁绍远在40里外的武阳，也看见乌巢起火，知道是曹操进攻乌巢的粮屯。但他不但不派兵援救，反而认为这是袭击官渡、歼灭曹军主力的大好机会，于是派军队连夜攻打官渡。曹营坚固，袁军久攻不下。这时，曹操在乌巢打败了淳于琼，焚毁了一万多车粮食，回师官渡。带领袁军攻打官渡的张命见败局已定，向曹操投降。乌巢粮屯遭袭击被烧毁的消息传到袁营，营内顿时大乱。曹操乘势率军出击。袁军未战先乱，不敌曹军的进攻。袁绍在慌乱中带八百骑兵向北逃走。袁军失去统帅，四散逃亡，七万多士兵投降曹操后被杀。
官渡决战，曹操以劣势之师打败袁绍，奠定了统一北方的基础。
曹操（公元155—220年），即魏武帝。三国时政治家、军事家，诗人。字孟德，小名阿瞒，谯（今安徽亳县人）。东汉末年，在镇压黄巾起义中，逐步扩充军事力量。初平三年（公元192年）占据兖州，分化、诱降青州黄巾军的一部分，编为“青州兵”。建安元年（公元196年）迎献帝，都许昌（今河南许昌东），挟天子以令诸侯，先后削平吕布等割据势力。官渡之战大破军阀袁绍后，逐渐统一了中国北部。建安十三年，进位为丞相，率军南下，被孙权和刘备的联军击败于赤壁。后封魏王。子曹丕称帝，曹操被追尊为武帝。