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在这些豪雄之中，吕布于198年与得到曹操支持的刘备作战，兵败被斩；袁术也想从扬州北上，但被曹操打败吐血而亡（199年），此后孙氏在扬州确立了势力；公孙瓒与袁绍交战，同样兵败自杀（199年）。于是袁、曹两大势力，于200年在官渡（今河南中牟）形成对峙。该地是黄河的渡口之一，是从冀州南下许都的必经之地。
200年，袁绍发出讨伐曹操的檄文，从根据地邺（今河北临漳）出发，二月，命猛将颜良进攻白马。对此，曹操则以官渡为大本营，摆出向延津（今属河南）进兵的姿势，引袁绍的大军向西，然后急袭白马。此战中表现超群的是关羽。关羽本来是刘备的部将，但这时是曹操的俘虏，他一刀斩下颜良，以此报曹操，之后又回到刘备之处。随后，两军战于延津，袁绍又失去了猛将文丑。
据传是装饰铜雀台的石狮子
八月，两军最终在官渡对决。袁军号称数十万，而另一方面，曹军不满一万，又乏军粮，军中还出现了意图降袁者。但是，曹操极富谋略，再加上袁绍的作战漫无目的，结果袁军被杀七万人，曹操大胜。第二年（201年）的仓亭（今河南南乐）之战，可说是终结了袁绍的生涯，202年，他在抑郁之下病死。三年后的正月，身处邺的袁绍之子袁谭亦被斩，冀州平定。曹操以邺为新的大本营，建造出东西三公里、南北二公里、有七道门的新城，并在城西北建立极为美观的铜雀等三台。
曹操消灭了袁绍，差不多统一了北方，接着他又继续向北追击游牧民族乌丸（亦作乌桓，是公元前三世纪末被匈奴所灭的东胡系民族的后代，以老哈河流域为根据地，二世纪中叶开始成为汉族的威胁），并将其消灭，将乌丸出身的勇猛骑兵编入自己军中。另外，他又将从东汉开始就定居山西北部的南匈奴分为五部，对他们也像汉人的郡、县住民一样征收租税。匈奴出身的佣兵应该也加入了曹军。