經過白馬、延津兩仗以後，袁、曹雙方進入了一個暫時相持階段。袁紹雖然連敗兩仗，但是仍舊保持著優勢力量:從軍隊數量說，袁紹的軍隊將近10萬人，曹操最多不過三四萬人。從後方的經濟力量說，曹操佔領的兗、豫二州，是漢末以來破壞得最嚴重的地區之一，遠不如袁紹佔領的河北地區那樣富庶。曹操雖然在進入許都的那一年，就開始屯田積穀，但是畢竟只有四、五年的光景，還不能根本改變佔領區的殘破面貌。軍用糧餉，也遠遠不及袁紹充足。
曹操是一個有才幹的政治家、軍事家。他雖然在物質條件方面還比不上袁紹，但是他很懂得從政治上爭取人心。他一方面嚴令各地方官加緊催收租稅，以便供應前線;另一方面，也採取了一些籠絡人心的政治措施。例如:他採納了朗陵令越儼的建議，把陽安郡界內所徵收的綿絹，發還給百姓，減輕一些人民的負擔。又如:他下令部隊行軍，不許馬踏麥田，違者處死。所以能在一定程度上得到人民的支持，為自己在軍事上戰勝敵人創造了有利的條件袁紹沒有能從失敗中吸取教訓，仍舊仗著他在軍隊數量、裝備和物資儲備上的優勢，盲目冒進。
七月，袁紹把大軍集結到官渡北面的陽武，準備繼續發動進攻。沮授再一次向他分析戰爭形勢說:“我方軍隊雖然人數多，卻比不上曹軍勇敢善戰曹軍的弱點是軍糧少，物資儲備沒有我方充足。”根據這個客觀情況，他建議袁紹，用持久戰來消耗曹軍的力量，以便最後戰勝曹操。袁紹仍舊不聽從沮授的意見。他命令主力部隊進到官渡前線，安營下寨，軍營東西長達幾十裡。曹操也針鋒相對擺好陣勢，同袁軍對峙。
公元200年九月，曹操向袁軍發動了一次進攻，沒有獲勝
他就改變方針，深溝高壘，固守陣地，以等待有利時機。袁紹見曹軍堅守不出，命令士兵在曹營外面堆起土山，砌起高高的壁樓，在那裡用箭射擊曹軍。箭密得像下雨一般。曹營士兵來往行動都得用盾牌遮住身體。曹操命工匠連夜趕造了一種炮車，發射石塊，把袁軍的壁樓擊破。炮車發射石塊的時候，聲響如雷，因此，當時人們都管這種車叫“霹靂車”。袁軍這一著沒有成功，又暗鑿地道，直通曹營，打算由地道里打過去。曹操針對這種地道戰術，命人在營牆內挖掘長溝，進行防禦。雙方就這樣在官渡相持了三個多月。
當時，曹操方面軍隊數量既少，軍糧也不充足。在這種不利的處境下，曹操統治區內的很多軍民都對戰爭前途抱懷疑，有些郡縣叛變了。曹操也很憂慮。他曾經寫信同留守許都的荀彧或商量，打算退守許都。荀彧給曹操寫回信，向他分析戰爭的前途。信裡說明，當前是戰敗袁紹、取得最後勝利的重要關頭;曹軍糧食雖然不足，但是還不至於毫無辦法，只要堅持下去，戰局一定會很快發生變化。他勸曹操要努力爭取最後勝利，千萬不要退兵，失卻機會。曹操認為荀彧的見解很正確，就堅定了同袁紹周旋到底的決心。他一面命令部隊繼續固守官渡，面密切注視敵人動態，以便尋找有利時機，進行最後的決戰
在兩軍相持階段，軍糧的補給是關係戰爭勝敗的一個重要因素。曹操看到袁軍糧草雖然比較充足，但是因為軍隊多，消耗也大，如果軍糧發生問題，就會不戰自敗。曹操一方面嚴令後方催辦糧草，接濟軍需;一方面，決定派人去燒燬袁軍的糧草。恰巧袁紹派韓猛監押糧車幾千輛，前來官渡途中。韓猛是袁紹手下的一員戰將，但是他有勇無謀，而且輕敵少備。
荀攸瞭解到這個情況，就向曹操建議派兵去劫奪袁紹的糧車。曹操派部將徐晃和史渙帶兵前往打跑了韓猛，燒掉了他押送的全部糧車和軍用物資。到了十月，袁紹又派人從河北運來1萬多車軍糧，囤積在大營以北40裡的故市、烏巢，還特派大將淳于瓊帶領1萬人駐紮在那裡保護。由於上次糧車被燒，一度造成袁軍給養的困難，因此沮授特別提醒袁紹，要他另派一員戰將率領一部分部隊駐防在淳于瓊的外側，以防曹軍抄襲。袁紹沒有采納。
袁紹的另一個謀士許攸，認為曹操兵少，而且主力部隊都集中在官渡，後方必定空虛。因此，他建議袁紹派出一支輕騎部隊，去偷襲許都。但是，盲目自大而又顧慮多端的袁紹，並不重視許攸的意見，反而驕傲地說:“不必，我一定可以在這裡擒住曹操!”許攸感到袁紹這樣驕傲輕敵，最後一定要失敗。因此，他的思想發生動搖。正在這個當兒，許攸的家族有人犯了法，被留守鄴城的審配拘捕起來。許攸在氣憤之下，竟然背棄袁紹，去投奔曹操。
曹操聽說許攸前來投靠，高興得連鞋子都沒有來得及穿，就光著腳跑出去迎接，並且拍手說:“子元遠道而來，我的大事一定可以成功了。”許攸見了曹操，開口就問道“袁紹軍勢很盛，您打算怎樣對付他?目前還有多少存糧?”曹操說:“可以支持一年。”許攸知道這是假話，就說:“沒有這麼多吧!”曹操又回答說:“可以支持半年。”許攸直截了當地說“您不想打敗袁紹嗎?為什麼不說實話呢!”曹操才對許攸說:“其實軍糧只夠維持十多天了。你看這該怎麼辦呢?”許攸這才把袁紹在烏巢堆積軍糧的情況完全告訴了他，並勸他率輕騎前往偷襲，把袁紹的糧食和輜重全部燒掉。
許攸的情報，真使曹操喜出望外。當天夜裡，曹操留下曹洪、荀攸防守官渡大營，親自率領步騎兵5000人，打著袁軍旗號，每人手裡拿著一把乾柴，口裡銜著枚，把所有的馬嘴都束起來，從小路奔向烏巢。在行軍途中，曹軍忽然遇到一隊袁軍盤問他們是何處兵馬，曹操讓土兵回答說:“袁將軍恐怕曹操包抄我軍糧屯，特地派我們前去增援。”曹操的部隊騙過了敵人的耳目，順利地通過了袁軍的防線，直奔烏巢，把袁紹的糧屯團團圍住，然後放起火來。在黑夜中，只見糧屯周圍，濃煙四起，火光沖天。袁軍從夢中驚醒，慌作一團，不知如何是好。
天亮以後，袁軍守將淳于瓊發現曹操兵馬並不多，就把軍隊調出營門，攻擊曹軍。結果，被曹軍打得大敗，淳于瓊只得退守營屯。袁紹聽說曹操進攻烏巢糧屯，仍舊沒有引起嚴重的注意，反而認為這是攻下官渡、殲滅曹軍主力的最好機會。他對袁譚說:“只要我們攻下曹操的大營，即使他打敗了淳于瓊，也沒有退路了。”於是，他命令大將張郃、高覽率兵加緊攻打曹操的官渡大營。張郃看到曹操親領精兵圍攻烏巢，恐怕淳于瓊支持不住。
他認為烏巢如果有失，大事也就完了。因此，他一再請求袁紹先派兵去救淳于瓊。但是，袁紹在郭圖的迎合下，仍舊堅持以主力進攻曹操的官渡大營，只派少數騎兵去救烏巢。由於曹操在官渡的營壘很是堅固，戰士死守，袁軍久攻不下，主力部隊反而被吸引住了。這就給曹操拿下烏巢創造了有利條件當袁紹的增授騎兵臨近烏巢的時候，曹操的部下慌忙向他報告說:“敵人援軍就要到了，我們快分一部分軍隊去抵擋吧!”當時，正是能否攻下烏巢，決定勝負大局的緊要關頭。因此，曹操嚴厲命令部下說:“等敵人到了我們背後，再來報告!”在曹操堅決果斷的指揮下，不但擊潰了袁軍的增援部隊，而且攻下了袁軍營屯，殺死了淳于瓊。袁軍的1萬多車糧谷也被燒得一乾二淨。
淳于瓊戰敗被殺的消息傳到官渡前線，張郃看到大勢已去，失去了鬥志。他同高覽把全部攻城器械燒掉，一道到曹營去投降了。袁軍糧屯被燒，軍心已經動搖。這回又傳來了主將投降的消息，更加慌亂，袁軍一下子全都潰散了。曹操乘勢領兵出擊，袁軍大敗。袁紹和袁譚只率領著800名親兵逃回黃河以北曹操繳獲了袁軍丟下的全部軍用物資和珍寶財物，並坑殺了投降過來的許多袁軍士兵。在這一次戰爭裡，袁紹的主力差不多全部被殲滅了。
袁紹經不起這樣的慘敗。他又氣又急，得了重病。公元202年五月，袁紹病死了。他的幾個兒子爭權奪位，最後競至互相攻殺起來，結果都被曹操各個擊破。公元206年，曹操徹底消滅了袁氏的殘餘力量，全部控制了過去為袁紹所佔據的地盤。
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