刘备投靠袁绍，袁绍决心进攻许都。原来劝他攻打许都的田丰，这时却不赞成马上进攻。他说：“现在许都已经不是空虚的了，怎么还能去袭击呢？曹操兵马虽然少，但是他善于用兵，诡计多端，可不能小看他。我看还是作长期的打算。”
袁绍不听田丰的话，田丰一再劝谏，袁绍反认为他扰乱军心，把他投进监狱，并向各州郡发出文书，声讨曹操。
公元200年2月，袁绍任命沮授为监军，统领十万大军，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。
三国时代称运兵船为走舸，也类似于后汉时代的露桡。《三国志·周瑜传》提到，黄盖“豫备走舸，各系大船后”，黄盖放船引火后，就是改乘这些走舸。值得一提的是在正史中，《三国志》是第一个用舸这个字，更是唯一提到走舸这名词的正史。
这时候，曹操早已率领兵马回到官渡，听到白马被围，准备亲自去救。他的谋士荀攸劝他说：“敌人兵多，我们人少，不能跟他硬拼。不如分一部分人马往西在延津（在今河南延津西北）一带假装渡河，把袁军主力引到西边。我们再派一支轻骑兵到白马，打他个措手不及。”
曹操采纳了荀攸的意见，来个声东击西。袁绍听说曹操要在延津渡河，果然派大军来堵截。哪儿知道曹操已经亲自带领一支轻骑兵袭击白马。包围白马的袁军大将颜良没防备，被曹军杀得大败。颜良也被一心报答曹操厚恩的关羽所杀，白马之围也解除了。
袁绍听到曹操救了白马，气得直跳脚。监军沮授劝袁绍把主力留在延津南面，分一部分兵力出击。但是袁绍心急火燎，不听沮授劝告，下令全军渡河追击曹军，并且派大将文丑率领五六千骑兵打先锋。这时候，曹操从白马向官渡撤退。听说袁军来追，就把六百名骑兵埋伏在延津南坡，叫兵士解下马鞍，让马在山坡下蹓跶，把武器盔甲丢得满地都是。
文丑的骑兵赶到南坡，看见这样子，以为曹军已经逃远了，叫兵士收拾那丢在地上的武器。曹操一声令下，六百名伏兵一齐冲杀出来。袁军来不及抵抗，被杀得七零八落。文丑也糊里糊涂地被关羽杀死。
两场仗打下来，袁绍一连损失了他手下的颜良、文丑两员大将，袁军将士被打得垂头丧气。但是袁绍不肯罢休，一定要追击曹操。监军沮授说：“尽管我们人多，可不像曹军那么勇猛；曹军虽然勇猛，但是粮食没有我们多。所以我们还是坚守在这里，等曹军粮草用尽，他们自然会退兵。”
袁绍又不听沮授劝告，命令将士继续进军，一直赶到官渡，才扎下营寨。曹操的人马也早已回到官渡，布置好阵势，坚守营垒。
袁绍看到曹军守住营垒，就吩咐兵士在曹营外面堆起土山，筑起高台，让兵士们在高台上居高临下向曹营射箭。
曹军只得用盾牌遮住身子，在军营里走动。
曹操跟谋士们一商量，设计了一种霹雳车。这种车上安装着机纽。兵士们扳动机纽，把十几斤重的石头发出去，打坍了袁军的高台，许多袁军兵士被打得头破血流。
袁绍吃了亏，又想出一个办法。他叫兵士在深夜里偷偷地挖地道，打算从地道里偷袭曹营。但是他们的行动早被曹军发现。曹操吩咐兵士在兵营前挖了一条又长又深的壕沟，切断地道的出口。袁绍的偷袭计划又失败了。
就这样，双方在官渡相持了一个多月。时间一长，曹军粮食越来越少，兵士疲劳不堪。
曹操有点支持不住，写信到许都告诉荀彧，准备退兵。荀彧回信，劝曹操无论如何要坚持下去。
这时候，袁绍方面的军粮却从邺城源源不断地运来。袁绍派大将淳于琼带领一万人马运送军粮，并把大批军粮囤积在离开官渡四十里的乌巢。
袁绍的谋士许攸探听到曹操缺粮的情报，向袁绍献计，劝袁绍派出一小支人马，绕过官渡，偷袭许都。袁绍很冷淡地说：“不行，我要先打败曹操。”
许攸还想劝他，正好有人从邺城送给袁绍一封信，说许攸家里的人在那里犯法，已经被当地官员逮了起来。袁绍看了信，把许攸狠狠地责骂了一通。
许攸又气又恨，想起曹操是他的老朋友，就连夜逃出袁营，投奔曹操。
曹操在大营里刚脱下靴子想睡，听说许攸来投奔他，高兴得来不及穿靴子，光着脚跑出来欢迎许攸，说：“好啊！您来了，我的大事就有希望了。”
许攸坐下来后说：“袁绍来势很猛，您打算怎么对付他？现在你们的粮食还有多少？”
曹操说：“还可以支持一年。”
许攸冷冷一笑，说：“没有那么多吧！”
曹操改口说：“对，只能支持半年。”
许攸装出生气的样子说：“您难道不想打败袁绍吗？为什么在老朋友面前还要说假话呢！”
曹操只好实说：“军营里的粮食，只能维持一个月，您看怎么办？”
许攸说：“我知道您的情况很危急，特地来给您捎个信。现在袁绍有一万多车粮食、军械，全都放在乌巢。淳于琼的防备很松。您只要带一支轻骑兵去袭击，把他的粮草全部烧光，不出三天，他就不战自败。”
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，精选五千名步骑兵，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。”不等袁军哨军靠近，张辽就走近一步，压低了声音，故作神密地说：“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，可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。张郃苦苦劝说：“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，带着八百名骑兵仓皇逃过了黄河。
经过这场决战，曹操用极少的兵力战胜了拥兵数十万的袁绍，使之再也无法恢复原来的势力。过了二年，袁绍病死。曹操又花了七年时间，扫平了袁绍的残余势力，统一了北方，为以后三国鼎立的局面，奠定了基础。