曹操白马破颜良、文丑之后，士气大振。袁绍失去上将颜良、文丑哀痛不已，于是攻击曹操更甚。兵力倍于曹操的袁绍，利用优势疲敌，一度击败曹操。
八月，袁军主力接近官渡，依沙堆立营，东西宽约数十里，连绵不绝，声势浩大。曹操也立一营与袁军对峙。袁绍看着自家数十里连营，十数万将士，再看向远方一小小曹营，不过十之一二，心中感慨，“就是这样一支匹马，与我相持如此之久，还废了我两员上将。只余高览、张郃也。”（河北四庭柱：颜良、文丑、高览、张郃）
袁绍命人构筑楼橹，堆土如山，用箭俯射曹营。以疲曹营之众。曹军制作了一种抛石装置的霹雳车，发石击毁了袁军所筑的楼橹。楼橹建之不易，破之容易，袁绍又输一阵。面对炎炎夏日，渐转秋凉，袁绍徒生一股哀怜之感，不只是为自己所哀，还是为曹操怜之。
攻破易京、消灭公孙瓒、居功至伟的逢纪又建议掘地道，就凭借挖掘地道，袁绍灭了公孙瓒。然而，这一回，曹军也在营内掘长堑相抵抗，粉碎了袁军的计策。正所谓，奇计一次可行，第二次便是全天下知晓的事情了。
双方相持三个月，曹操外境困难，前方兵少粮缺，士卒疲乏，后方也不稳固，曹操几乎失去坚守的信心。曹操应付楼橹剑雨，仓皇建造投石之车，应付地道掘到外营，方才知晓，立马派人在营内掘长堑相抵抗。可谓是操尽了心，不主动出战，只为阻敌，曹操感觉自己是废物一般。和袁绍一比，自己这日子过的甚是清贫，眼前面黄如蜡，枯瘦如柴的士兵不在少数。许都还是太穷了啊。
这天，曹操在营中漫无目的的走着，看见运粮士兵疲于奔命，只为前线战事增加钱粮筹码，甚是感慨，派人叫住那个士兵，问他许都若何？士兵答道，“许都安好，曹公，还有一事，我不敢说。”曹操拍拍士兵的背，屏退左右，“这里就你我二人，有什么话说吧。”士兵却吞吞吐吐地道，“曹公，我听说，府库几近粮绝。恐怕运不了几次了。”曹操说道，“曹某知晓了，你去吧。”难不成要退，曹操一脸阴沉。看着士兵的背影，心中坚定的曹操不禁脱口而出，“却十五日为汝破绍，不复劳汝矣！”士兵回头一笑。
当即，曹操写信给荀彧，商议要退守许都，荀彧回信说：“曹公之事，荀彧知晓。那个士兵，是公达派他激起曹公的斗志。安逸太久了，压抑太久了，是时候来一场较量了。但时机未到，曹公当蓄势待发，一改营中败馁风气。袁绍将主力集结于官渡，想要与曹公一决胜负。曹公却以至弱当至强，阻敌于官渡，相持数月左右，可见袁绍又有何惧？以倍于敌，以将领无数，谋士无双，却只得官渡对峙。袁绍废物也。于此之时，不能退。昔日楚、汉在荥阳、成皋之间，刘邦、项羽没有人肯先退一步，以为先退则势屈。现在公以一当十，扼守要冲而使袁绍不能前进，半年至矣。若不能制，必为所乘。既可制之，待机乘之。我们只要继续等下去，袁绍久持不下，其内文武不和，必遭生变。故而，曹公不能退，当此之时，正是出奇制胜的时机，不可坐失以致被动屈居于下啊。”
在荀彧的一番劝谏下，曹操的十五日破敌誓言下，曹操决心继续坚守待机，同时加强防守，相比于袁绍军队运粮线极长，曹操的优势便是离大后方许都极尽，当然败了许都也就没了。袁绍想要的也便是许都，所以对峙官渡嘛。
于是曹操在运粮这一方面大做文章，一面命负责后勤补给的任峻采取十路纵队为一部，缩短运输队的前后距离，并用复阵，加强护卫，防止袁军袭击；另一面则积极寻求和捕捉战机，派曹仁、史涣截击、烧毁袁军数千辆粮车，破坏袁军运输通道，增加了袁军的补给困难期间。汝南郡黄巾军刘辟叛变，袁绍使刘备前往相助，又派韩荀钞断曹军西道，皆被曹仁击破。
一波未平，一波又起，江东孙策与袁绍合谋，意欲偷袭许都的消息在曹营不胫而走。孙策骁勇善战、一统江东的名声，在中原还是被人熟知的，他是大破董卓的孙坚的儿子。正所谓将门虎子，完全继承了其父孙坚的勇往无前的精神与不可匹敌的风范。孙策欲袭击许都，令得曹营众人纷纷寻找后路，不少人开始暗中向袁绍献媚，准备为自己留条后路。当时，曹军中与袁绍私下有书信往来者很多，官渡之战后，在袁营中就搜出了不少通敌竹简。
与袁绍相持中已经处于劣势的曹操，根本不可能再抽出兵力保卫许都。而一旦许都失守，曹操阵营将立刻分崩离析。这是曹营中人心最为动乱的时期，曹操和荀彧都紧张不已。至于贾诩、郭嘉在此紧急关头，泰然自若。
曹操看着二人，若有所思。贾诩定是有脱身之策，郭嘉定是有妙策。曹操上前询问，郭嘉居然提出一个令人匪夷所思的见解，“明公曹操根本没必要抽出兵力去保卫许都，因为孙策来不了。”当时，曹营人心惶惶，被这样一席话语震惊的鸦雀无声。什么，孙策来不了？那我们干了什么？不对，孙策怎么可能来不了？
只听郭嘉继续说道，“孙策刚刚吞并江东，所杀的都是英雄豪杰。江东五郡没有一个易于之辈，而孙策本人又轻率放荡，射猎出行又是几人而已，自恃武艺疏于防备。虽然拥有百万之众，但和孤家寡人无异。我看他必然死于刺客之手。”不久，孙策死于刺客之手，据说是许贡的家臣。
孙策一死，曹营安稳，曹操当时对郭嘉已是惊为天人，认为天生郭奉孝，无人可比拟啊。郭嘉不会告诉曹操，孙策之死，是自己事前早已派人联络江东所致。这是很危险的一环，当早做打算，若是孙策不来，也要实施。只为把江东再度搞乱，不能干扰中原局面。
十月，袁绍又派车运粮，并令淳于琼（故西园八校尉之一）率兵万人护送，屯积在袁军大营以北约20公里的故市、乌巢。淳于琼、袁绍、曹操、赵融可谓是同期学子，同是西园八校尉之一嘛。结果袁绍、曹操做了老大，他俩都做了小弟。
其后曹操军中缺粮，恰在这时，袁绍谋士许攸与营中将士不和，家人犯罪，被郭图抄家法办，许攸报之无门，便转瞬投奔了曹操。曹操当值卧睡，立刻没穿衣服鞋子就迫切出迎。荀彧所说的许攸来降终于开幕了，曹操心里高兴啊。许攸被曹操这阵仗弄得有点怡然自得，不知尊崇。
是夜，许攸献计建议曹操轻兵奇袭乌巢，烧其辎重，使袁绍不战自败。当时曹营纷纷劝阻，如此时机，许攸投降，或许有诈，郭嘉当时则认为或可施行，但要查探一番。荀攸、贾诩认为可行，事不宜迟，当即施行。
曹操对郭嘉很信任，但对于荀彧、荀攸提前的预判而感到时机正在此时。遂立即付诸实行，留曹洪、荀攸守营垒，亲自率领步骑五千，冒用袁军旗号，人衔枚马缚口，各带柴草一束，利用夜暗走小路偷袭乌巢。到达后立即围攻放火。
袁绍获知曹操袭击乌巢後，袁绍对袁谭说：“就算曹操打败淳于琼，我攻占曹操的军营，他必然没地方可回了。”一方面派轻骑救援袁军粮仓乌巢，另一方面命令张郃、高览率重兵猛攻曹军大营，可曹营坚固，攻打不下。当曹军急攻乌巢淳于琼营时，袁绍增援的部队已经迫近。
曹操励士死战，大破袁军。淳于琼高喊，“孟德兄，一别数年，今为仇敌，我不能奈何君啊？”，曹操回应道，“来吧。西园故吏的交锋，看看我曹操老了没有！”，曹操手持倚天剑，剑杀淳于琼。并将其粮草全数烧毁。
张郃、高览闻得淳于琼等人战败，乌巢被破，二人相视一眼，便决定投降曹操。粮食都没有了，打赢曹操还好说，打不赢吃什么，绝对会从内溃军。再说颜良文丑都死了，他们俩不如投靠曹操算了，袁公对他们赏罚不明，田丰沮授尽遭袁公抛弃啊。
他们俩这一投降，导致了军心动摇，内部分裂，大军崩溃。这时袁绍军中惊恐慌乱，彻底溃败。河北四庭柱二死二降及淳于琼战败，乌巢遭遇袭击，袁绍已无统帅将领可用，导致部旅或反叛或逃亡或反抗，一派混乱。
兵败之后，袁绍和袁谭等人头戴幅巾，骑着马，与八百名骑兵渡过黄河，到达北岸的黎阳，进入其将领蒋义渠的军营。聚拢散兵退还冀州。
官渡之战增强了曹操的实力，为曹操击溃袁绍，统一北方奠定了坚实的基础。北方仅有曹操和袁绍势力较大，此战击溃了袁绍，先后歼灭和坑杀袁军七万余人，北方无人能和曹操抗衡。