建安五年二月，袁绍率大军进攻黎阳，派遣郭图、淳于琼、颜良等人进攻白马城，当时白马城是由刘延驻守，曹操知道刘延兵力薄弱，恐怕无法抵挡袁绍大军，于是决定亲自率兵去救刘延。

他采纳谋士荀攸的建议，先带兵到延津，假装要渡河袭击袁绍的后方，实际是声东击西。曹操再趁机再率另一支精兵向东解救白马城，袁军大将颜良防备不及，当场被关羽斩杀，白马城之危解除。

曹操破解白马围城后，袁绍派大将文丑等人从后面追击。当时曹操身边只有六百骑兵，而袁绍有五、六千骑兵。曹操见情况不妙出奇计，令众骑兵解开马鞍放马，又故意将各项物资丢弃在路上。

文丑骑兵到时，见曹军丢弃的马匹、物资后，众士兵纷纷抢成一团。曹操率兵埋伏在旁，见对方军纪涣散，命骑兵立即上马，向袁军冲杀，袁军惊吓阵势大乱，将领文丑当场又被关羽所斩，曹操顺利退回官渡。连续损失颜良、文丑两员大将，袁军大为震撼。

同年八月，袁绍一步步进逼官渡，曹操与袁军两军对峙，互相有胜负。九月，曹军再度出击，但是没有斩获，当时曹操兵马已经不满一万人，而且其中十分之三皆为伤兵，只好回营坚守阵营。

袁绍见曹军退守，便令将土堆高土堆成土城，士兵躲在土城中用箭俯射曹营，而曹军士兵只能依靠盾牌防御。为了反制袁军，曹操也发明了一种“霹雳车”，可向袁军投射飞石，破坏袁军所建筑的土城。袁军又挖掘地道想偷袭曹营，曹军不甘势弱，也在营内挖掘长沟抵抗袁军。

双方战斗僵持三个多月，曹操因兵马疲惫、粮食缺少，失去信心不想再战。他写信给荀彧，表明想要退兵回许昌。

荀彧回信说道：“袁绍将主力集结于官渡，想要与主公一决胜负。主公应该以一挡十以弱当强，若不能压制袁绍，必定被袁绍反噬，这将决定天下大势所趋之关键所在。”

“当年楚汉相争，刘邦、项羽两军僵持在荥阳、成皋之间，双方没有人肯先退兵，当认为先退兵者为势屈。昔日主公人马以一挡十，死守要塞之地，使袁军无法前进，已经经过半年了。”

“如今情势已经渐渐明朗，双方没有任何回旋的空间，相信不久就会发生重大的转变。这正是出奇制胜的时刻，千万不能坐失良机。”

因为荀彧这封信，让曹操重拾信心，决定继续与袁军对抗。

后来，曹操听说袁绍的军粮即将送到，于是派大将徐晃、史涣去拦截，并将袁军粮食全部烧毁。十月，袁绍运粮车又抵达，淳于琼率兵万人护送，并将这批军粮屯放在乌巢。

此时，袁绍谋士许攸因为不受袁绍重视，而且家人犯罪被捕入狱，心生不满，于是投降曹操。曹操光着脚ㄚ出营迎接许攸，许攸告诉曹操乌巢守备不严，可以采取奇袭方法，烧其辎重物资，袁军必定溃败。

曹操听后大喜，立即亲率步骑五千人偷袭乌巢，并且派曹洪、荀攸坚守官渡阵营。

曹操一行人趁夜放火攻乌巢，消息传到袁绍营中，大将张合建议袁绍：乌巢战场是战局的关键，应该全力抢救乌巢。可是袁绍不听，他认为应该将主力放在进攻官渡，所以只派了少部份兵力救援乌巢。后来，因为曹军坚守阵营，袁军根本无法攻下，袁绍自知判断错误。

当曹操还在攻打乌巢时，袁军后援的部队已经渐渐逼近。曹操左右的人问是否要分兵抵挡，曹操大喝说：“等敌兵到了我背后再告诉我！”士兵一听，大家都奋勇杀敌，终于攻破乌巢。

袁军崩溃，袁绍仓惶带八百士兵逃回北方，因此曹操赢了官渡之战。

经过一年多的对峙，曹操在官渡之战大获全胜，曹操以两万的兵力，击败袁绍十五万大军，成为少数中国史上以少胜多的战役之一。由此战役也可看出曹操本人深具胆识与勇气，更能接纳谏言、知人善任，终究促成他成就大业。官渡之战结束两年后，袁绍因兵败抑郁而终，曹操乘机灭了袁绍势力，战乱多时的北方终于在曹操手中统一。