袁紹率大軍進攻曹操，在白馬之戰和延津之戰中分別折損了大將顏良和文丑，一時軍中震恐，但袁紹仍然佔有軍事上的優勢。200年八月，袁紹從駐軍地陽武向前推進，依沙丘紮營，東西達數十里。曹操也把部隊分開駐紮，與袁紹軍隊在官渡（今河南中牟東北）築營相對，雙方擺開了決戰的架勢。
曹操出兵與袁紹交戰，不能取勝，又退回營壘。《資治通鑑﹒漢紀五十五》《三國志﹒武帝紀》及其引註記述了雙方的戰爭進程。因為曹軍在營壘堅守不出，袁紹軍中即堆起土山，建造高樓，居高臨下地向曹營射箭，曹軍在營中行走，都要用盾牌遮擋飛箭。為了對付，曹軍制成霹靂車，發射石塊，將袁紹的高樓全都擊毀。袁紹又挖地道進攻，曹軍在營內挖一道長長的深溝，以防禦地道。江東孫策聽說曹操與袁紹相持不下，準備領兵襲擊許都，但尚未出發本人就被刺客所殺。
雙方相持了一百多天，曹操兵少糧盡，士兵疲憊不堪，百姓無法交納賦稅，黃河南邊很多人依附了袁紹或與其暗通款曲，曹操非常憂慮。他給荀彧寫信，說準備退回許都，以引誘袁軍深入。荀彧回信說：“袁紹把全部軍隊聚集在官渡，打算與我們決戰。您以弱者抵禦強者，如果不能制敵，必會被敵人所制，現在對雙方都是難得的機會。況且袁紹是普通人中的英雄，能聚合人才卻不會任用。以您的神武明智，加上用兵名正言順，還有什麼目標不能達到！如今糧食雖少，但還趕不上楚、漢在滎陽、成皋對峙時的困境。那時劉邦、項羽誰也不肯首先向後撤，是因為先退就會屈居劣勢。您以袁軍十分之一的兵眾堅守不動，扼住對方的咽喉使其無法前進，至今已有半年，情勢快要到頭了，必將發生轉折，這是出奇制勝的機會，一定不能丟失。“曹操聽了荀彧的勸告，於是堅守營壘，雙方繼續相持。
曹操看到運輸糧草的人，安撫他們說：“再過十五天，為你們擊敗袁紹，就不再勞苦你們了。”袁紹運糧的數千車輛來到官渡，荀攸對曹操說：“為袁紹軍隊押運糧草的大將韓猛勇敢而輕敵，可以把他擊敗！”曹操說：“派誰去合適？”荀攸說：“徐晃可以。”曹操於是派遣偏將軍徐晃與史渙在半路截擊韓猛，打敗了運糧的軍隊，並燒燬了輜重。到了十月，袁紹又派大批車輛運送糧草，他讓大將淳于瓊率領一萬多人押送，囤積在袁軍大營以北四十里處的烏巢。
袁紹的謀士許攸說：“曹操用全部兵力來抵抗我軍，守衛許都的人少，防備一定空虛，如果派一支隊伍輕裝前進，連夜奔襲，可以攻拔許都，那我們就奉迎天子來討伐曹操，必能捉住曹操。即便他的軍隊沒有潰散，也能使他首尾不能相顧，一定可將他擊敗。”袁紹拒絕說：“我一定要先捉住曹操。”恰好這時許攸家裡有人犯法，留守鄴城的審配將他們逮捕，許攸知道後非常惱怒，就投奔曹操。
許攸早年與袁紹和曹操都是要好的朋友，袁紹在189年辭絕董卓逃離洛陽後許攸跟隨了袁紹，這次到了官渡前線。曹操聽說許攸來了，等不及穿鞋赤腳出來迎接，他拍手笑著說：“子卿遠來，我的大事成功了！”許攸坐下後問曹操說：“袁軍勢大，你有什麼辦法對付？現在還有多少糧草？” 曹操說：“還可以支持一年。”許攸說：“沒有那麼多，再說一次。”曹操又說：“可以支持半年。”許攸說：“您不想擊破袁紹嗎，為什麼不說實話！”曹操說：“剛才是開玩笑，其實只可應付一月，怎麼辦呢？” 許攸說：“您孤軍獨守，外無救援，而糧草已盡，這是危急的關頭。袁紹有一萬多輛輜重車，在故市、烏巢，守軍戒備不嚴密，如派輕騎襲擊，出其不意，焚燬他們的糧草軍資，不出三天，袁紹就會自行潰敗。”曹操聽罷大喜。
曹操身邊的人懷疑許攸提供的是假情報，荀攸和賈詡認為應該相信，曹操於是留下曹洪、荀攸防守大營，親率五千名步騎兵出擊，使用袁軍的旗號，兵士嘴銜小木棍，綁上馬嘴，以防人馬發出聲音，夜裡從小道出營，每人抱一捆柴草。路上遇到盤問，只回答說：“袁公恐怕曹操襲擊後方輜重，派我們去加強守備。”聽的人信以為真，全都沒有介意。到達烏巢後，圍住袁軍輜重四面放火，袁軍大亂。天已漸亮，淳于瓊看到曹軍兵少，即在營外擺開陣勢，因抵擋不住曹軍，遂退守營寨，曹軍開始猛烈進攻。
袁紹聽說曹操襲擊烏巢，對兒子袁譚說：“就算曹操攻破淳于瓊，我若攻取他的大營，他就無處可歸。”派遣大將高覽、張郃去攻打曹軍大營。張郃說：“曹操率精兵前去襲擊，必能攻破淳于瓊，我們的糧食輜重若被毀，則大勢將去，應該先去救援烏巢。”郭圖堅持先攻曹操營寨，張郃說：“曹操營寨堅固，必定難於攻克。如果烏巢有失，我們都將成為俘虜。”袁紹最後決定派輕騎去援救淳于瓊，而派重兵進攻曹軍大營，但未能攻下。
袁紹的援兵到了烏巢，曹操身邊人說：“敵人的騎兵靠近了，請分兵抵抗。” 曹操怒喝道：“等敵人到了背後，再來報告！”士兵們拼死向前，終於大破袁軍，斬殺淳于瓊等，燒燬了袁軍全部糧草。曹軍將千餘袁軍士兵的鼻子割下，將所俘獲的牛馬的嘴唇、舌頭也割下後撤離，袁軍將士看到大為恐懼。郭圖因自己的作戰方案失敗，心中羞愧，他去袁紹那裡誣告說：“張郃知道我軍失利竟非常高興。”張郃聽說後又恨又怕，就與高覽燒燬了攻營器械去曹營投降。曹洪疑惑不敢接受，荀攸說：“張郃的提議不為袁紹採用，一怒之下來投奔，有什麼可懷疑的！”接受了張郃、高覽的投降。
袁紹軍隊前後兩面失利，糧草被焚燒，於是將士驚恐，全軍崩潰。袁紹與袁譚等人戴著頭巾，騎著快馬，與八百騎士渡過黃河向北逃跑，曹軍追趕不及，繳獲了袁紹軍隊的全部輜重和珍寶。袁軍來不及逃跑的其餘士卒都投降了，《後漢書﹒袁紹傳》上說的是“餘眾偽降”，屬於假投降，被曹操全部活埋，先後殺死的有七萬餘人。
官渡之戰以袁紹軍隊的徹底失敗而結束。袁紹此前經歷了白馬之戰、延津之戰，在陷入連續失利的泥潭後，看來他並沒有認真地反思自我，沒有發現問題作出更改，致使龐大集團的內部病狀在官渡之戰中集中爆發。他沉溺於自我力量強大的表面幻覺中，總以為前兩次失利僅僅是戰場將官的問題，多次拒絕謀士的建議，仍然用平淡無奇的思路去指揮更大的戰役，將官們間的暗中拆臺和相互傾軋加劇，最終一敗塗地。而曹操本人的果敢英勇、處事的機智靈活，以及將士們的精誠協力在戰役中都得到了充分展現，這最後的結局不是偶然的。官渡決戰從根本上扭轉了袁曹雙方的力量對比，更換了天下霸主的座次，也在戰爭史上創造了以少勝多的經典戰例。如果說，八年後的赤壁之戰決定了天下能否實現統一，那官渡之戰就是決定著天下將由誰來統一的前提問題，其歷史影響極其巨大。
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