【官渡之战】
诸侯中势力最大的袁绍兼并了公孙瓒，势力范围略四州之地，拥兵十余万，下一个目标便是进攻许都，统一北方。曹操手下将领都认为袁绍强大，不可与之争锋。曹操说：“我深知袁绍的为人，志大才疏，色厉内荏，多猜疑而少威严，兵士虽然多却不能有效指挥，而且他手下部将骄傲，政令又不统一。他广大的土地，丰富的粮食，正好是送给我们的礼物。”
建安五年（200），董承刺杀曹操的密谋败露，曹操决定亲自东征刘备。诸将劝阻曹操说：“与公争天下的人是袁绍，现在袁绍即将到来，公却要东征刘备，如果袁绍乘势袭击我们的后方，怎么办？”曹操说：“刘备是人中豪杰，现在不打败他，必成后患。袁绍虽然有大志，却见事迟钝，一定不会动兵。”谋士中只有郭嘉支持曹操。曹操出兵，大破刘备，关羽兵败，刘备逃走，投奔袁绍。直到曹操回军官渡（今河南中牟北），袁绍也没有出兵。
同年二月，袁绍派郭图、淳于琼、颜良进攻白马（今河南滑县东北）。曹操亲自领兵救白马。荀攸对曹操说：“如今我方兵少，敌不过袁绍，如果能分散敌方势力，还可以一战。公可以到延津佯装渡河，以攻其后。袁绍见状必然引兵向西，这样我们可以轻兵突袭白马，乘其不备，可擒颜良。”曹操听从荀攸的计策，袁绍果然中计，曹操引兵速袭白马。白马守将颜良领兵出战。曹操派张辽、关羽为先锋，解了白马之围，关羽斩杀颜良。
曹操将白马的居民西迁。袁绍渡黄河追赶，追到延津。曹操的探报禀告袁绍有五六百骑，过了一会儿又报骑兵稍多，步兵多到数不清。曹操下令骑兵解鞍下马。此时，白马的粮草辎重正在运输途中。曹操手下诸将认为敌方骑兵多，应该退回营垒，弃掉辎重。荀攸则说：“粮草辎重是诱敌的诱饵，怎能弃掉？”袁绍的大将文丑和刘备领兵来袭，曹操手下部将请求出战，曹操安之若素。过了些时候，袁绍的骑兵愈来愈多，并开始争抢曹操的粮草。曹操下令上马进攻，结果大破敌人，斩杀文丑。
八月，袁绍连营数十里，与曹操对峙官渡。当时曹兵不到万人，而且十分之二三负伤。袁绍堆起土山，挖掘地道。曹操也作土山掘地道。袁军的箭射到曹营，曹军恐惧。此时又正逢曹军粮食短缺。曹操写信给荀彧，流露出回师许都之意。荀彧回信说：“袁绍的全部兵马集结在官渡，要与公一决胜负。公以极弱之兵抵挡至强之师，如果不能克制袁绍，则必然反受其制。如今是天下大势变化之机，成败关键。袁绍只是普通人中的英雄罢了，虽然有人才却不能尽用人才。公英明神武，又有上天庇佑，何愁大事不成？”曹操于是坚持对阵。
袁绍运送粮草的车辆多达数千，曹操听从荀攸的计策，派大将徐晃、史涣拦截，烧毁袁军粮草。曹操与袁绍对峙两个月，虽然多次斩杀袁绍部将，但曹军粮食短缺，士兵疲乏。曹操对运粮官说：“再有15天，我一定大破袁军，就不用辛苦你们运粮了。”
袁绍手下谋士许攸贪财，袁绍不能满足他，许攸于是投奔曹操，劝曹操出兵攻击运送袁军粮草的大将淳于琼。曹操留下曹洪守营，亲自率领骑兵、步兵5000人奔赴乌巢（今河南延津南），夜袭淳于琼。淳于琼见曹操兵少，便出兵布阵。曹操急进突袭，淳于琼退守。袁绍得到消息，派兵增援淳于琼。曹操身边的人说：“敌人快到了，请分兵抗敌吧。”曹操怒道：“等袁军到了我背后再来报告！”于是将士们奋勇作战，大破淳于琼。
袁绍在刚刚听到曹操袭击淳于琼的消息时，对长子袁谭说：“现在趁曹操攻淳于琼，我们可以偷袭他的大本营，他就没有归路了。”于是派张郃、高览攻击曹洪。这两个人在行军途中听说淳于琼战败，知道袁绍大势已去，便投降了曹操。袁绍部队溃败，袁绍和袁谭弃大军逃走。曹操取得官渡之战的胜利。
曹操收获袁军的全部粮草和图书档案，俘虏大批袁军。曹操在袁绍遗留的书信中发现许多许都和军营中的人暗中交结袁绍的信函。曹操并未追究，而是下令将这些书信全部烧掉平定北方】
建安六年（201），曹操再次击破袁绍，袁绍吐血而亡。之后，曹操又兴兵征讨刘备、袁谭。
建安八年三月，曹操攻打袁氏，袁绍之子袁谭、袁尚连夜逃走。八月，曹操亲自率兵攻打刘表。这时，袁谭、袁尚同室操戈，袁谭为袁尚所败，求救于曹操。
建安九年，曹操兵进邺城（今河北临漳），大破袁尚，斩审配。曹操亲临袁绍墓拜祭，为之流涕。从前，袁绍和曹操共同起兵时，袁绍曾问曹操：“如果我们举事失败，就占据一方以图将来东山再起。什么地方是可以占据的呢？”曹操问：“足下的意见呢？”袁绍说：“我南据黄河，北占燕代，兼有戎狄，向南以争天下，这样便可以成事。”曹操说：“我依仗天下有智之士，运用王道，至于领地，哪里都可以。”
曹操兵围邺城的时候，袁谭攻取了很多地方，并趁势追击袁尚。曹操写信指责袁谭违约，进兵讨伐袁谭，并于建安十年斩袁谭，平定冀州。袁绍的儿子袁尚、袁熙远走乌丸，投奔辽西乌丸首领蹋顿单于。
曹操打算亲自率兵征讨，诸将领劝谏：“袁尚不过是一个亡命之徒。况且夷狄之人贪婪而不尊重父母，怎么能为袁尚所用？现在为了这些人远征塞外，刘备一定会说服刘表袭击许。”只有郭嘉料定刘表不会采纳刘备的意见，支持曹操北征乌丸。
曹操一路北上，跋山涉水，穿过鲜卑庭，又东进柳城（今辽宁朝阳西南），一直到了距柳城200里，蹋顿才得到消息。袁尚、袁熙联合蹋顿、辽西单于和右北平单于，率兵数万人迎战。曹军粮草辎重在后，重装兵少，大家都很恐惧。曹操登高瞭望，见乌丸兵阵容不整，便出兵袭击，结果大获全胜，斩蹋顿及单于以下多人，胡汉兵将降者有二十余万人。辽东单于速仆丸及辽西、北平各胡人头目和袁尚、袁熙只带了数千兵士逃往辽东，投奔公孙康。
曹操身边的人建议曹操征讨公孙康。曹操说：“我已命公孙康送上袁尚、袁熙的头颅，不必等我出兵。”后来，公孙康果然送来袁尚、袁熙的首级。曹操手下的人询问，曹操解释说：“公孙康素来怕袁尚等人，我若急着攻他，他就会联合袁尚抵抗；我若不攻，他们便各有所图，自相残杀。”
至此，曹操荡平北方，迈出了统一大业的第一步。