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其時，黃巾軍由於被兗州軍拖住，無法四散掠食，已經出現了嚴重的糧食短缺問題。數十萬黃巾軍的統屬極其複雜，光憑張饒、樓異、於毒三人，完全無力有效的控制局勢。
於是，張饒、樓異、於毒三人，也由於部下間分贓不均之類問題，所產生的一些小摩擦，開始鬧起了矛盾。若非此前擊殺兗州刺史劉岱的戰果，使得黃巾軍大受鼓舞，只怕青、徐、兗三州的黃巾軍，都要相互分離，各走各的路了。
曹操並沒有被升任兗州刺史的喜事，給衝昏了頭腦。他深知敵我雙方的軍力虛實，在臨危上任以後，一改劉岱此前主動出擊的戰略，開始與黃巾軍玩消耗戰。這種戰法看似消極，其實正好掐中了黃巾軍的軟肋，可謂高明之極。
在兗州聯軍方面，有劉岱此前陣亡的例子，沒有哪個敢說曹操這樣的做法太保守。期間，黃巾軍多次猛攻兗州軍的陣地，曹操帶著本部精銳，四處救火，成功的挫敗了黃巾軍的多次攻擊，還救下了鮑信和應劭的大營。依靠這樣的功績，曹操算是進一步強化了自身在兗州的威望。
如此一來，時間流逝，黃巾軍終於即將糧盡。缺乏軍事素養的黃巾軍高層，居然將這個訊息傳揚出來，使得幾十萬黃巾軍軍心大亂。此時，曹操一面派出細作在黃巾軍中大肆誇大缺糧的事情，打擊黃巾軍計程車氣；一面聯絡部分兗州出生的黃巾小帥，以幷州刺史張狂為例，引誘他們投降。
曹操雙管齊下的手段，很快取得了極好的效果。眼見形勢日漸危急，幾個本就屬於混在黃巾軍隊伍裡的投機分子，接受了曹操的招降。在內應的策應下，曹操親自率領兗州軍大舉出動，只一戰，便將鬥志動搖嚴重的幾十萬黃巾軍擊潰！
陷入困境的黃巾軍，此時又爆發出人太多所帶來的人心不齊。張饒、樓異、於毒三人各有打算，在軍議上一言不合，居然大打出手。好在三人心中有各顧忌，沒有將事情鬧大。但是，這樣一來，三人之間的合作也無法繼續進行下去。
這次分裂，讓黃巾軍的處境更加雪上加霜。
曹操則不愧是一代兵法大家，他抓住這個良機，先就專門對想要堅持戰鬥的於毒部黃巾軍窮追猛打，迫使於毒部小帥紛紛潰逃、投降。於毒本人見已經無力迴天，只得帶著親衛兩百餘騎兵，脫離垮掉的主力軍團，放棄兗州的根基，北上投奔過去的同伴——張狂。
接下來，曹操極為惡毒的驅動投降的兗州黃巾軍為前鋒，轉而圍攻樓異的徐州黃巾軍。由於徐州刺史陶謙的大力打擊，徐州黃巾軍在三部分人馬中人數最少。但也因為陶謙的打擊，能夠倖存下來的徐州黃巾軍，士卒卻最精銳。不過，此時面對曹操大軍的威逼，感覺無路可退的樓異，在得到曹操使者的保證以後，屈辱的率全軍向曹操投降了。
友軍的覆沒，立刻讓張饒感到勢單力孤。心中大恐的青州黃巾軍，被曹操快速追擊，完全喪失了之前擊殺兗州州郡大吏時的威風。最後，除了張饒帶著萬餘青壯逃離兗州，進入豫州境內，與豫州黃巾軍匯合以外，其餘人口輜重，盡為曹操所虜獲！
戰鬥結束後，除去戰死、逃走的部分，曹操先後收降的青徐黃巾軍，數量達到了二十萬之多。其中青壯極多，不下五萬。有此大捷，曹操立刻向天下宣佈，兗州一共擊破收降降卒三十餘萬，男女口百餘萬，以振奮士氣，誇耀武功。
這種捷報上的誇張，屬於兵家的正常現象。按照大漢軍隊的一貫傳統，若對內有一級斬首報上來，對外就可以誇張到五級，其用意是震懾敵人，鼓舞己方。當然，在一些較為親近的勢力裡，曹操也不會特意去隱瞞真實的戰報。
雖然成功擊破了黃巾軍主力，不過兗州經歷這次大戰，多個州郡都變得殘破不堪。特別是由於受到戰亂的威脅，不少地方的平民都死於非命，殘存者也多有成為了流民，紛紛向其他較為安定的州郡遷徙和逃亡。在人口大量減少的情況下，那些投降的黃巾人口，就成為恢復兗州農耕的主要勞動力。
曹操此戰得勝，各個大郡出力不少。所以，從黃巾軍那兒俘虜的二十萬人口，他不可能一個人獨吞。
在討論劃分戰利品的會議上，曹操很清楚自己的胃口到底吃得下多少分量，倒也大方，將俘虜的大頭讓出來，按照在戰鬥中出力的大小分給各郡，自家只取了四萬人口，含一萬青壯。他的這番大方行為，讓得到了實利的兗州大吏們都很滿意。有了州郡大吏們的一致支援，曹操在兗州的統治，由此才真正變得穩固起來。
拿了曹操給出的好處，各州郡大吏很快就用事實回報了曹操。兗