八月，袁军主力接近官渡，依沙堆立营，东西宽约数十里，曹操也立营与袁军对峙。九月，曹军一度出击，与袁军交战不利，退回营垒坚守。袁绍构筑楼橹，堆土如山，用箭俯射曹营。而曹操手下的刘烨这时挺身而出，并且制作了一种抛石装置的霹雳车，发石击毁了袁军所筑的楼橹。袁绍军一计不成又生一计！又掘地道进攻。曹军也在营内掘长堑相抵抗，粉碎了袁军的计策。
就这样在双方来来回回的拉锯战中又度过了三个月，曹操外境困难，许都的存粮捉襟见肘，前方士兵不足和粮草缺乏的问题日益严重。另外长时间的征战也使得士兵们心力疲乏，军心不稳。曹操甚至脱口而出：“却十五日为汝破绍，不复劳汝矣！”
然而就在这样一种内忧外患的煎熬中，一封信和一支船队却及时的为曹操打了一剂强心针！信是留守许都的荀彧写的，信的大致内容是说：“袁绍将主力集结于官渡，想要与公决胜负。公以至弱当至强，若不能制，必为所乘，这是决定天下大势的关键所在。当年楚、汉在荥阳、成皋之间，刘邦、项羽没有人肯先退一步，以为先退则势屈。现在公以一当十，扼守要冲而使袁绍不能前进，已经半年了。情势已然明朗，绝无回旋的余地，不久就会发生重大的转变。这正是出奇制胜的时机，千万不可坐失。”
而另外的一支船队，则是孙策看准时机送来的雪中炭！整整十船辎重和补给！
打过了强心针，又收到了自己女婿送来的粮草，曹操仰天大笑三声，决心继续坚守待机，同时加强防守。另一方面积极寻求机会主动出击！不久便在孙策水军的协助下截击、烧毁袁绍军数千辆粮车，并且增加了袁军的补给困难。
时间进入十月，袁绍又派车运粮，并令淳于琼率兵万人护送，夜宿于袁军大营以北约20公里的故市、乌巢。恰在这时，袁绍军中的派系之争发挥了巨大的作用，直接导致听信谗言的袁绍杀了自己的谋士田丰，并且间接致使谋士许攸叛逃曹操军。
许攸投奔曹操之后，立刻便建议曹操奇袭乌巢，烧其辎重！曹操采取了许攸出奇制胜的计策之后，亲自率领步骑五千，冒用袁军旗号，利用暗夜走小路偷袭乌巢！曹军急攻乌巢淳于琼，励士死战，并当场斩杀淳于琼！将其粮草全数烧毁。
袁绍获知曹操袭击乌巢后，一方面派轻骑救援，另一方面命令张合、高览率重兵猛攻曹军大营。张合、高览进攻曹营，但却只对付中路，没想到左边夏侯惇、夏侯渊，右边曹仁、李典，中路曹洪，一齐杀出来。袁军抵挡不住三路攻击，大败而逃。
张合和高览打了败仗，正犹豫着回不回去的时候，却得知自己二人已经被小人郭图穿了小鞋！而且袁绍也要拿他二人问罪。心下悲凉的二人一不做二不休，最终决定投降曹操，这也使得袁绍军军心动摇，内部分裂，大军崩溃。
曹操抓住时机趁势而起！举兵发起总攻，并由夏侯惇、曹仁、程昱、臧霸、李通分五路掩杀袁绍逃兵。袁绍仓惶带八百骑兵退回河北，曹军先后歼灭和坑杀袁军七万余人！
随着袁绍的全线撤退，这次的官渡之战曹操可以说是大获全胜！此战过后。不但增强了曹操的实力，为曹操击溃袁绍，统一北方奠定了坚实的基础。而且还为曹操带来了河北一大票的氏族和财阀支持，从此北方再也无人能和曹操抗衡。
官渡之战，经过一年多的对峙，至此以曹操的全面胜利而告结束。而曹操以两万左右的兵力，出奇制胜，击破袁军十万的这一壮举，也被世人奉为经典，并且代代相传。