採取行動，留下曹洪和荀攸守住大營，親自率領步騎五千，趁朦朧的月色，從小道直趨烏巢。操軍打著袁軍旗幟，每個士兵帶上一捆乾柴，嘴啣枚，馬縛口，路上遇人盤問，答以袁公怕曹操抄襲我軍後路，特地前往加強戒備。這樣，順利地到達了烏巢。曹軍在袁軍屯地周圍點燃乾柴，大火頓時燃燒起來。袁軍從夢中驚醒，只見大火熊熊，喊殺之聲，震耳欲聾，於是驚惶失措，亂作一團。至拂曉，淳于瓊等見曹軍兵少，又產生輕敵情緒，出營迎戰，操不待其擺好陣勢，即揮軍急擊，瓊等抵擋不住，退回營中。
袁紹聽說操往襲烏巢，並不趕緊派兵救援，還對其子譚說：“即使曹操攻破淳于瓊等，我攻下其大營，他就無處措身了”。於是命高覽、張郃等加緊攻營。張郃建言：“曹操兵精，往必破瓊等；瓊等破，則將軍事去矣，宜急引兵救之。”可是袁紹只遣少量騎兵往救瓊，而以全力進攻曹營。曹營堅固，屹立不動。
當操正激勵士卒攻打淳于瓊等的時候，傳來了袁紹援軍將到的訊息，有人勸操分兵拒敵。操以為兵分勢弱，後頂不住援軍，前攻不下敵營，必致兩頭敗衄，於是令士卒拼命進攻瓊等，一舉破之，除殺瓊等外，還燒掉袁軍全部存糧。及袁紹援軍到來，烏巢已經失守，援軍也就不戰而潰了。
烏巢糧谷被燒的訊息傳到官渡，袁軍登時土崩瓦解，張郃、高覽燒燬攻具，率部降操，其他將士，也不再聽從袁紹指揮，紛紛逃命。袁紹、袁譚父子率領僅存的八百騎兵渡過黃河，逃回冀州。袁軍的輜重、圖書、珍寶都成了曹操的戰利品，來不及逃跑的袁軍多向操投降。
經過這次戰役，袁紹的主力部隊基本被消滅，曹操的軍事力量大大增強，為日後統一北方奠定了牢靠的軍事基礎。
三、曹操統一北方
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（1）進取冀、青、幽、並四州
建安五年（200年）十月，曹操在官渡大敗袁紹後，冀州城邑，多降於操。但曹軍也已人困馬乏，特別是軍糧短缺，使操無力再行北進。直到次年三月，操軍仍缺糧，不能不就食於東平郡的安民（亭名，在今山東東平西南）。
由於劉備仍在汝南，所以曹操打敗袁紹後，親自率軍擊備，備不戰而奔荊州。劉表令備屯駐新野，以防曹操。
袁紹歸鄴後，收集散卒，平定諸叛郡縣。原先，紹愛少子尚貌美，欲以為後，乃令長子譚出任青州刺史。沮授當時進諫說：“譚長子，當為嗣，而斥使居外，禍必始於此矣。”紹不聽，曰：“吾欲令諸子各據一州，以視其能”。又以中子熙為幽州刺史；外甥高幹為幷州刺史。袁譚與袁尚之間的矛盾，便由此形成。紹部下要員亦跟著分為兩派：審配、逢紀為尚派；辛評、郭圖為譚派。建安七年（202年）五月，紹死，尚繼立，譚不服，自號車騎將軍，屯兵黎陽。
尚、譚互訌，給操以吞併河北的良機。九月，操進軍攻譚，譚、尚在曹軍的重大壓力下，懼而合力拒操，譚、尚數敗。建安八年（203年）二月，操攻黎陽，譚、尚敗走。郭嘉向操建議：“譚、尚各有黨與，急之則相保，緩之則爭心生。不如南向荊州若徵劉表者，以待其變；變成而後擊之，可一舉定也。”操以為善，遂引軍還許。
不出郭嘉所料，操退軍後，譚、尚就廝殺起來，譚為尚所敗，退保平原，尚圍城急攻，譚竟遣辛毗求救於操。辛毗勸操乘機略定冀州。操稱善，許助譚。十月，操引兵至黎陽，尚聞操軍北上，乃釋平原還鄴。尚部將呂曠、呂翔叛尚歸操。譚陰刻將軍印給曠、翔。操知譚懷詐，為子整聘譚女以籠絡之。操因軍糧不足，引軍暫還。建安九年（204年）正月，操引淇水入白溝，以通糧道。二月，尚又進兵攻譚，留審配、蘇由守鄴。操乘尚東去，再來攻鄴，先為土山、地道攻城，至五月，毀土山、地道，而繞城鑿長塹，週迴四十里。起初挖的甚淺，審配從城上望見，笑其無用。至夜，操急掘之，廣深各二丈，引漳水以灌城，城中餓死者過半。
袁尚聞鄴城危急，率兵萬人還救。操諸將以為尚來保衛老巢，人自為戰，有必死之心，不如避之。操以為尚從大道來，當避之；若循西山來，則有依險自全之心，而無輕生必死之意，可一戰而禽。尚果循西山來，被操戰敗。尚奔中山（今河北定州市）。八月，鄴城被操攻佔。
鄴為冀州州城，冀州在操所轄各州中，戶口與財賦都居首位，操對之極為重視，自領冀州牧，經常駐鄴。
操圍攻鄴城時，袁譚亦乘機略取冀州數郡，並攻袁尚於中山