建安十二年（207年），袁尚、袁熙逃入烏桓，即今遼寧錦州一帶。曹軍諸將都說“袁尚已如喪家之犬，關外胡人不會支援他們的。如果再做遠征，劉備必然會挑撥劉表襲擊許昌，萬一有什麼變數怎麼辦？”此時的劉備經過數年的休養生息，在荊州劉表的身邊又積聚了相當的實力。以曹操對劉備的瞭解，他有理由擔心自己孤軍遠征之際，劉備會在背後發難。
這時，郭嘉又提出不同於他人的見解：“明公你儘管放心地去遠征，留下一個空空蕩蕩的許都也無妨，我料定劉備無法給你添麻煩。不是劉備不想添，而是有人會代替您來阻止他，此人就是劉表。”在眾人一片譁然聲中，郭嘉詳細地分析了平烏桓之役的可行性和重大意義“胡人自恃偏遠，現在必然沒有防備，突然發動攻擊，一定能夠將他們消滅。袁紹對胡人有恩，如果袁尚還活著，他們一定幫忙，遲早是隱患。現在袁家的影響還很大，這個時候南征，如果胡人有行動，我們的後方就不安穩了。但劉表是個只知坐談的政客，他自知能力不足以駕馭劉備，所以必然會對劉備有所防備。現在雖然是虛國遠征，但一勞永逸，就再也沒有後患了。”
郭嘉的觀點一針見血，曹操聽罷茅塞頓開，立刻進兵柳城。曹操軍到易城，郭嘉覺得推進的速度還是太慢，又進言道：“兵貴神速。現在潛力遠征，輜重太多，行進緩慢，被對方有所覺察必然就要做防備。不如留下輜重，輕兵速進，攻其不備。”後來，這一戰成為了中國戰爭史上“兵貴神速、奇兵制勝”的經典戰例。曹操在設置了一些撤軍假象之後，暗中率領一支輕裝精兵，在嚮導田疇的帶領下突然出現在烏桓的背後。烏桓首領蹋頓和袁尚、袁熙率軍倉促應戰，這一役，蹋頓被斬，曹軍俘虜了20餘萬人，走投無路的袁尚、袁熙投奔了遼東的公孫康。
這次行軍路況極端惡劣，沿途有長達二百里的地段乾旱無水。當糧食吃光以後，曹軍將士又不得不先後殺了幾千匹戰馬充飢，才艱難抵達目的地。同年秋天，遼東太守公孫康帶著袁尚的首級前來投降。曹操根據郭嘉的計策終於徹底平定北方，統一整個黃河流域以北地區。在從柳城回來的途中，因為水土不服，氣候惡劣，再加上日夜急行又操勞過度，郭嘉患疾病去世。
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