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中平元年（184）二月，黄巾大起义爆发。起义军的主力集中在冀州、颍川和南阳三个地区，冀州地区由张角兄弟直接指挥，颍川地区由波才指挥，南阳地区由张曼成指挥，将矛头指向东汉的都城洛阳。东汉朝廷急忙调兵遣将，加强洛阳周围的防卫，并派北中郎将卢植去冀州镇压张角，左中郎将皇甫嵩、右中郎将朱俊去颍川镇压波才。为调动统治阶级内部各方面的力量共同对付起义军，在党锢事件中遭受禁锢的党人被宣布赦免，曹操也在这个时候得到重用，由六百石的议郎升任为比二千石的骑都尉，同皇甫嵩、朱俊一起带兵前往颍川镇压黄巾。
各地起义军顽强奋战，先后将卢植、朱俊和皇甫嵩打败，并把皇甫嵩包围在长社城内。但起义军缺乏作战经验，包围长社的部队竟依草结营，结果在一个刮风的夜里被皇甫嵩放火突袭，造成惊乱。这时曹操恰好赶到，皇甫嵩、朱俊乘势与曹操合兵夹击，起义军大败，几万人被杀。颍川地近洛阳，这一路起义军对东汉朝廷威胁最大，结果最先被镇压，对全局影响很大。此后，形势开始逆转，南阳、冀州的黄巾军在敌人优势兵力的围剿下，越来越被动，最后被各个击破。
黄巾军主力被镇压后，其他各地的黄巾军继续坚持战斗了很长时间，曹操后来还曾多次与黄巾军对垒。
由于镇压黄巾起义有功，皇甫嵩被封为都乡侯，朱俊被封为西乡侯，曹操也被提升为济南国相。汉代沿袭秦朝的郡县制，但同时以一部分郡县分封王侯，当时人称为“郡国”。东汉时，王国封地相当于一个郡。按制度，被分封的王只能享受封区内的赋税收入，没有行政权力。国相就是中央政府派到王国处理政事的官吏，职位与二千石的郡太守相等。曹操由于出身在地位不高的宦官家庭，又不是隐居岩穴、可以自高身价以吸引当政者前来礼聘的名士，因此他在被举为孝廉后常常担心被人们看成是平庸无能的人，非常渴望得到郡太守的职位，以便以振兴政治和教化的实绩来树立起个人的声誉。他在洛阳北部尉、顿丘令以及议郎任上之所以力图有所作为，这种心理不能说没有起相当作用。如今，他真正得到了相当于郡太守的职位，于是便大刀阔斧地干了起来，以图实现心中的宿愿。
济南国所属十县，令、长大都对上交通朝廷贵戚或宦官，对下勾结地方豪强，依仗权势，狼狈为奸，贪赃枉法，鱼肉百姓，弄得声名狼藉，而历任国相却都不敢加以干涉。曹操到任不久，即上奏朝廷一鼓作气罢免了其中的八个。这样一来，上下无不为之震恐，犯法作乱的人纷纷逃往外郡，辖境内一时间变得异常平静，社会治安大为好转。
西汉初年，齐悼惠王之子刘章因同周勃、陈平诛除诸吕有功，在文帝前元二年（前178）被封为城阳王，死后城阳国为其立庙祭扫。青州诸郡转相仿效，祠庙越来越多，其中以济南国为最，达到600余所，淫祀之风为此越刮越烈。一些有钱的商人在祭祀时，排场搞得很大，坐上二千石官员才能乘坐的车子，穿上二千石官员才能穿的衣服，有歌舞艺人唱唱跳跳，吹吹打打，就像后世的迎神赛会一般。他们利用淫祀标榜祖宗的所谓“功德”，抬高自己的社会地位，同时欺诈人民，骗取钱财，因而祭祖之风越奢侈，老百姓也就变得越贫穷，而历来的官员却没有人敢加以禁绝。曹操到任后，一举将祠庙全部摧毁，并严禁官民再搞祭祀活动，一时间没有人敢再提奸邪鬼神之事。
此外，曹操还比较公平地选用官吏，力图使政治变得清明。这些，都表现了曹操决心廓清吏治的精神，同时进一步显示了他不同凡响的政治才干和胆识魄力。
但是，曹操的行动却得罪了朝中当权的宦官，地方豪强也对他恨之入骨。曹操一方面不愿意违背自己的志向去迎合权贵，一方面又考虑到已经多次触犯权贵，再这样干下去，担心会使全家受到连累。为了避免发生不测之祸，曹操在当年辞去了济南相的职务，请求回到宫中值宿，担任警卫，实际是要求赋闲。朝廷再次任命他为议郎，曹操表面上虽然接受了，但却常常装病，不去上班。第二年，即中平二年（185），朝廷让曹操去做东郡太守，曹操不仅没有答应，相反连议郎也不肯再做，推托有病，辞官回到家乡谯县去了。