袁绍率大军进攻曹操，在白马之战和延津之战中分别折损了大将颜良和文丑，一时军中震恐，但袁绍仍然占有军事上的优势。200年八月，袁绍从驻军地阳武向前推进，依沙丘扎营，东西达数十里。曹操也把部队分开驻扎，与袁绍军队在官渡（今河南中牟东北）筑营相对，双方摆开了决战的架势。
曹操出兵与袁绍交战，不能取胜，又退回营垒。《资治通鉴﹒汉纪五十五》《三国志﹒武帝纪》及其引注记述了双方的战争进程。因为曹军在营垒坚守不出，袁绍军中即堆起土山，建造高楼，居高临下地向曹营射箭，曹军在营中行走，都要用盾牌遮挡飞箭。为了对付，曹军制成霹雳车，发射石块，将袁绍的高楼全都击毁。袁绍又挖地道进攻，曹军在营内挖一道长长的深沟，以防御地道。江东孙策听说曹操与袁绍相持不下，准备领兵袭击许都，但尚未出发本人就被刺客所杀。
双方相持了一百多天，曹操兵少粮尽，士兵疲惫不堪，百姓无法交纳赋税，黄河南边很多人依附了袁绍或与其暗通款曲，曹操非常忧虑。他给荀彧写信，说准备退回许都，以引诱袁军深入。荀彧回信说：“袁绍把全部军队聚集在官渡，打算与我们决战。您以弱者抵御强者，如果不能制敌，必会被敌人所制，现在对双方都是难得的机会。况且袁绍是普通人中的英雄，能聚合人才却不会任用。以您的神武明智，加上用兵名正言顺，还有什么目标不能达到！如今粮食虽少，但还赶不上楚、汉在荥阳、成皋对峙时的困境。那时刘邦、项羽谁也不肯首先向后撤，是因为先退就会屈居劣势。您以袁军十分之一的兵众坚守不动，扼住对方的咽喉使其无法前进，至今已有半年，情势快要到头了，必将发生转折，这是出奇制胜的机会，一定不能丢失。“曹操听了荀彧的劝告，于是坚守营垒，双方继续相持。
曹操看到运输粮草的人，安抚他们说：“再过十五天，为你们击败袁绍，就不再劳苦你们了。”袁绍运粮的数千车辆来到官渡，荀攸对曹操说：“为袁绍军队押运粮草的大将韩猛勇敢而轻敌，可以把他击败！”曹操说：“派谁去合适？”荀攸说：“徐晃可以。”曹操于是派遣偏将军徐晃与史涣在半路截击韩猛，打败了运粮的军队，并烧毁了辎重。到了十月，袁绍又派大批车辆运送粮草，他让大将淳于琼率领一万多人押送，囤积在袁军大营以北四十里处的乌巢。
袁绍的谋士许攸说：“曹操用全部兵力来抵抗我军，守卫许都的人少，防备一定空虚，如果派一支队伍轻装前进，连夜奔袭，可以攻拔许都，那我们就奉迎天子来讨伐曹操，必能捉住曹操。即便他的军队没有溃散，也能使他首尾不能相顾，一定可将他击败。”袁绍拒绝说：“我一定要先捉住曹操。”恰好这时许攸家里有人犯法，留守邺城的审配将他们逮捕，许攸知道后非常恼怒，就投奔曹操。
许攸早年与袁绍和曹操都是要好的朋友，袁绍在189年辞绝董卓逃离洛阳后许攸跟随了袁绍，这次到了官渡前线。曹操听说许攸来了，等不及穿鞋赤脚出来迎接，他拍手笑着说：“子卿远来，我的大事成功了！”许攸坐下后问曹操说：“袁军势大，你有什么办法对付？现在还有多少粮草？” 曹操说：“还可以支持一年。”许攸说：“没有那么多，再说一次。”曹操又说：“可以支持半年。”许攸说：“您不想击破袁绍吗，为什么不说实话！”曹操说：“刚才是开玩笑，其实只可应付一月，怎么办呢？” 许攸说：“您孤军独守，外无救援，而粮草已尽，这是危急的关头。袁绍有一万多辆辎重车，在故市、乌巢，守军戒备不严密，如派轻骑袭击，出其不意，焚毁他们的粮草军资，不出三天，袁绍就会自行溃败。”曹操听罢大喜。
曹操身边的人怀疑许攸提供的是假情报，荀攸和贾诩认为应该相信，曹操于是留下曹洪、荀攸防守大营，亲率五千名步骑兵出击，使用袁军的旗号，兵士嘴衔小木棍，绑上马嘴，以防人马发出声音，夜里从小道出营，每人抱一捆柴草。路上遇到盘问，只回答说：“袁公恐怕曹操袭击后方辎重，派我们去加强守备。”听的人信以为真，全都没有介意。到达乌巢后，围住袁军辎重四面放火，袁军大乱。天已渐亮，淳于琼看到曹军兵少，即在营外摆开阵势，因抵挡不住曹军，遂退守营寨，曹军开始猛烈进攻。
袁绍听说曹操袭击乌巢，对儿子袁谭说：“就算曹操攻破淳于琼，我若攻取他的大营，他就无处可归。”派遣大将高览、张郃去攻打曹军大营。张郃说：“曹操率精兵前去袭击，必能攻破淳于琼，我们的粮食辎重若被毁，则大势将去，应该先去救援乌巢。”郭图坚持先攻曹操营寨，张郃说：“曹操营寨坚固，必定难于攻克。如果乌巢有失，我们都将成为俘虏。”袁绍最后决定派轻骑去援救淳于琼，而派重兵进攻曹军大营，但未能攻下。
袁绍的援兵到了乌巢，曹操身边人说：“敌人的骑兵靠近了，请分兵抵抗。” 曹操怒喝道：“等敌人到了背后，再来报告！”士兵们拼死向前，终于大破袁军，斩杀淳于琼等，烧毁了袁军全部粮草。曹军将千余袁军士兵的鼻子割下，将所俘获的牛马的嘴唇、舌头也割下后撤离，袁军将士看到大为恐惧。郭图因自己的作战方案失败，心中羞愧，他去袁绍那里诬告说：“张郃知道我军失利竟非常高兴。”张郃听说后又恨又怕，就与高览烧毁了攻营器械去曹营投降。曹洪疑惑不敢接受，荀攸说：“张郃的提议不为袁绍采用，一怒之下来投奔，有什么可怀疑的！”接受了张郃、高览的投降。
袁绍军队前后两面失利，粮草被焚烧，于是将士惊恐，全军崩溃。袁绍与袁谭等人戴着头巾，骑着快马，与八百骑士渡过黄河向北逃跑，曹军追赶不及，缴获了袁绍军队的全部辎重和珍宝。袁军来不及逃跑的其余士卒都投降了，《后汉书﹒袁绍传》上说的是“余众伪降”，属于假投降，被曹操全部活埋，先后杀死的有七万余人。
官渡之战以袁绍军队的彻底失败而结束。袁绍此前经历了白马之战、延津之战，在陷入连续失利的泥潭后，看来他并没有认真地反思自我，没有发现问题作出更改，致使庞大集团的内部病状在官渡之战中集中爆发。他沉溺于自我力量强大的表面幻觉中，总以为前两次失利仅仅是战场将官的问题，多次拒绝谋士的建议，仍然用平淡无奇的思路去指挥更大的战役，将官们间的暗中拆台和相互倾轧加剧，最终一败涂地。而曹操本人的果敢英勇、处事的机智灵活，以及将士们的精诚协力在战役中都得到了充分展现，这最后的结局不是偶然的。官渡决战从根本上扭转了袁曹双方的力量对比，更换了天下霸主的座次，也在战争史上创造了以少胜多的经典战例。如果说，八年后的赤壁之战决定了天下能否实现统一，那官渡之战就是决定着天下将由谁来统一的前提问题，其历史影响极其巨大。
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