袁绍见刘备去了不回，大怒，便想发兵讨伐。谋士郭图道：“刘备不足为虑，曹操才是劲敌，不可不除。江东孙策威镇三江，主公可以派人联络他共同进攻曹操。”袁绍依言修书。
不料袁绍的使者见过孙策后不久，孙策便得病身亡。张昭、周瑜等人辅佐他的弟弟孙权继承了江东的基业。曹操得到讯息，当即奏封孙权为将军，兼领会稽太守。袁绍见曹操又结纳了孙权，大怒，便率领冀州、青州、幽州、并州等处人马七十余万，旌旗遍野，刀剑如林，去攻许都。袁绍谋士沮授进谏道：“我军虽然人数众多，但勇猛不如曹军；曹军虽然精良，但粮草不如我军。曹军缺少粮草，利于急战；我军粮草充足，利于缓守。若能延长时日，则曹军会不战自败。”袁绍非但不听，反而大怒，将沮授锁禁在军中。
消息传到许都，上下震动。曹操虽坐镇许都，挟天子以令诸侯，但以实力而论，此时天下没有能胜出袁绍者。郭嘉论及曹操与袁绍实力对比，曾提出“十胜”、“十败”之说，以为曹操有十处能胜出袁绍，如：袁绍外宽内忌，任人唯亲，曹操则外简内明，任人唯贤；袁绍多谋少断，曹操则当机立断；袁绍好听谗言，曹操则遇事分明；袁绍是非混淆，曹操法纪严明；袁绍好虚张声势，实则不懂兵法，曹操则能以少胜多，用兵如神……谋士荀攸也以为袁绍虽然兵多但不足以畏惧，因曹军都是精锐之士，人人以一当十，但曹军粮草不足，利在速战速决。曹操汇集众议，整顿兵马，起兵七万前去迎敌。双方在官渡相遇。
两军对垒，袁绍金盔金甲，锦袍玉带，帐下张郃、高览、韩猛等战将阵容严整。曹操带许褚、张辽、徐晃等出马，质问袁绍何故反叛。袁绍大怒道：“你名为汉相，实为汉贼！罪恶甚于王莽、董卓！”曹操道：“我今奉圣旨前来讨伐你！”袁绍也道：“我奉皇上衣带诏来讨贼！”曹操派张辽、许褚出马，袁绍手下张郃、高览迎战，一阵交锋，袁绍终究人多势众，阵上万箭齐发，曹军大败，退至官渡坚守不出。袁军筑土山、挖地道攻营，都被曹军破去。守了一个多月，曹军粮草告急，急忙派人到许昌让荀彧筹集粮草。使者走不到三十里，被袁军捉住，押来见许攸。许攸忙报告袁绍曹操粮草告急，可以趁机攻之。袁绍知道许攸是曹操的故交，疑心许攸私通曹操来行诱敌之计，反将许攸骂出。许攸见袁绍不信任自己，便偷偷地去投奔曹操。
曹操听说许攸来了，连鞋子也来不及穿，光着脚就出帐迎接。许攸问曹操营中有多少军粮，曹操说可支付一年，许攸笑道：“恐怕未必。”曹操又道有半年，许攸拂袖而起道：“我以诚相投，公如此欺骗，真让我大失所望！”曹操挽留，道军中粮草只够三个月了。许攸笑道：“世人都道曹孟德奸雄，果然如此！”曹操也笑道：“岂不闻兵不厌诈！”于是在许攸耳边悄悄说：“军中只有本月之粮了。”许攸大声道：“休要瞒我，粮草已经尽了！”曹操大惊，问许攸如何知道，有何对策。
许攸道：“袁绍的粮草辎重，都堆积在乌巢，由淳于琼把守。此人好酒，防备松懈。你可以派人假扮袁兵前去护粮，乘机放火。这样，袁军不出三天，不战自乱。”曹操大喜。
第二天，曹操便让荀攸、曹洪等人守大寨，夏侯惇，曹仁则各带一支人马埋伏左右，以防不测。曹操亲自领张辽、许褚、徐晃、于禁等，率兵五千，打着袁军旗号，军士都背着薪柴等引火之物，黄昏时分，向乌巢进发。袁绍谋士沮授此时正被押在营中，推测曹军会去烧粮草，连夜求见袁绍，让袁绍派重兵提防。袁绍不听，怒责沮授。
曹操一路进兵，并无阻碍。到了乌巢，就四下放火。淳于琼这天夜里正喝得大醉，来不及抵抗就做了俘虏。一时间，火焰四起，烟雾冲天，袁绍粮草一烧而空。袁绍在大营里见北方火光冲天，知道乌巢有失，忙命张郃、高览领兵五千去攻曹军大营，蒋奇领兵一万，去救乌巢。蒋奇中了埋伏，被张辽斩了。张郃、高览一进曹营，两边伏兵齐出，袁军大败。袁绍以为两个不肯用力，要抓他们治罪。张郃、高览无奈，只得降了曹操。
袁军失了粮草，人心惶惶。当夜，曹操便分兵三路前往劫寨，袁军损失大半。曹操又散布谣言，骗袁绍调动兵马，乘乱冲杀一阵。袁军全无斗志，四散逃跑。袁绍只带着八百骑兵，渡河逃命。袁绍回到冀州，重新整顿兵马。大儿子袁谭、二儿子袁熙、外甥高干，分别从青州、幽州、并州带领人马前来相助。袁绍便又聚集了二三十万大军，来战曹操。两军在队。左军：一队夏侯惇，二队张辽，三队李典，四队乐进，五队夏侯渊。右军：一队曹洪，二队张郃，三队徐晃，四队于禁，五队高览。中军许褚为先锋。十队人马先去埋伏停当。到半夜，许褚假装劫寨，袁绍全军出击。许褚一直退到黄河边上。此时，曹军已无退路。曹操大叫一声：“前面已无去路，大家拼死一战吧！”许褚掉转马头，飞马当先，连斩数将。士兵们也奋勇争先，袁军大乱，急忙后退。这时，左右曹军伏兵齐出，袁绍心惊胆战狼狈不堪，袁军尸横遍野死伤无数。袁绍与三子一甥拼死杀出重围，兵马死伤殆尽。袁绍抱住三子大哭一场，不觉昏倒在地。众人急救，袁绍口吐鲜血不止，叹息道：“我经历大战数十次，想不到今日如此狼狈！此天丧我也……”
袁绍率残部逃回冀州。不久，袁绍吐血而死，三个儿子为了争权自相残杀，被曹操乘机一一剿灭。