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通過以上二項措施，曹操統治區的農業生產迅速恢複。這是曹操在經濟上的一大成功。
迎獻帝、遷都於許和恢複農業生產是曹操得以成功的兩個重要條件。
從建安二年起，曹操利用他“挾天子以令諸侯”的政治優勢，東征西討，開始了他翦滅群雄，統一北方的戰爭。
其時，在曹操的北邊，是占有冀、並、幽、青四州的袁紹；南邊，是占據揚州的袁術；東南，是占據徐州的呂布；正南，是占據荊州的劉表；西邊，是關中諸將。此外，董卓部將張濟之侄張繡投降劉表後，屯駐於宛縣（今河南南陽），對許都形成威脅。
建安三年（198）九月，曹操東征徐州，進攻久與他為敵的呂布。在曹軍攻勢之下，呂布軍上下離心，十二月，呂布將侯成、宋憲等生擒呂布謀士陳宮歸降曹操。呂布見大勢已去，下城投降。曹操將呂布、陳宮處死，收降呂布將臧霸、孫觀等人，初步控製了徐州。
當時，群雄實力最強的是袁紹。曹操預作布置，命在青州有潛在影響的臧霸等人攻入青州，占領齊（治今山東臨淄）、北海（治今山東壽光東南）等地，鞏固右翼；又命大將於禁屯軍黃河南岸，監視袁軍。不久，張繡聽從謀士賈詡之計，投降曹操，曹操大喜，拜張繡為揚武將軍，解除了後顧之憂。這年十二月，曹操自率軍屯於官渡（今河南中牟北），準備迎擊袁紹。
劉備在徐州牧陶謙死後，曾一度出任徐州牧，後徐州被呂布攻占，劉備投奔曹操。曹操認為劉備是個英雄，先後表他為豫州牧、左將軍。曹操攻占徐州不久，淮南袁術準備逃往青州往依袁紹，曹操派劉備去截擊。建安五年正月，董承等人謀誅曹操事泄，被曹操殺掉。劉備遂襲殺徐州刺史車胄，占據徐州。
曹操為了免於將來同袁紹作戰時前後受敵，決定先消滅在徐州立足未穩的劉備。時諸將皆怕袁紹乘機來攻許都，曹操對此胸有成竹，說：“劉備，人傑也，今不擊，必有後患。袁紹雖有大誌，而見事遲，必不動也。”遂進軍，以迅雷不及掩耳之勢擊破劉備，劉備逃奔袁紹。
袁紹是當時北方最強大的一股勢力，也是曹操統一北方最強大的敵人。袁氏一門，自袁紹曾祖袁安以下，“四世居三公位”，“門生故吏遍於天下”，勢力本就很大，後袁紹取得冀、並、幽、青四州之地，實力大增，有軍隊數十萬人。袁紹以其長子袁譚、次子袁熙、外甥高幹分守青、幽、並三州，後方穩固，兵精糧足，根本不把曹操放在眼裏。他挑選精兵十萬、戰馬萬匹，誌在一舉消滅曹操。建安五年二月，袁紹命大將顏良等人進兵白馬（今河南滑縣北），自率大軍進屯黎陽（今河南浚縣東），向曹操發動進攻。
曹操的實力比袁紹弱得多。曹操所占的大河以南地區，地盤既小，又是四戰之地，殘破不堪，還沒有完全恢複，物資比不上袁紹那樣豐富。曹操的兵力也遠不及袁紹，其總兵力大概不過幾萬人，投入前線的兵力據《武帝紀》說“兵不滿萬，傷者十二三”。劉宋裴鬆之認為此數不準確，操之兵力不會如此之少，但曹操兵力遠遜於袁紹卻是毫無問題的。袁紹大軍來攻，許都震動。曹操安慰眾將說：“吾知紹之為人，誌大而智小，色厲而膽薄，忌克而少威，兵多而分畫不明，將驕而眾令不一，土地雖廣，糧食雖豐，適足以為我奉也。”曹操對袁紹有很深的認識，他敢於在袁紹將要大軍壓境之時抽身去進攻劉備，正是基於這種認識之上。
建安五年二月，袁軍顏良等人圍攻白馬，拉開了大戰的序幕。四月，曹操親自率兵北上解白馬之圍，他采納謀士荀攸之計，先進軍延津（今河南延津北，在白馬以西），做出要渡河襲擊袁軍的態勢，吸引袁軍分兵西向，然後突然轉向兼程去救白馬。曹操軍突然殺到，袁軍措手不及，顏良被曹軍殺死，袁軍大敗，白馬之圍遂解。曹操救出白馬軍民，沿黃河西撤。袁紹聞知，立即渡河追趕曹操。曹操見追兵漸近，命軍士解鞍放馬，並置輜重於道。袁軍追兵大至，爭搶輜重，陣形混亂。曹操率領僅有的騎兵突然殺出，大破追兵，陣斬袁紹另一大將文醜。顏良、文醜為袁軍名將，二戰分別被殺，袁軍大震。曹操初戰得勝，主動撤軍，繼續扼守官渡。
八月，袁紹大軍連營而進，東西數十裏，依沙堆為屯，進逼官渡。曹操分兵堅守營壘，伺機而動。袁軍向曹營發動猛攻，先是作高櫓、起土山，由上向曹營中射箭，接著又挖地道，欲從地下襲擊曹營，皆被曹操以相應辦法擊破。兩軍一攻一守，相持近二個月。久戰之下，曹操處境極為困難。
十月，袁紹從河北運來糧草萬餘車，派大將淳於瓊等帶萬餘人看守，屯於離袁紹大營四十裏的烏巢。恰好這時袁紹謀士許攸來投曹操，獻計讓曹操偷襲烏巢。曹操大喜，親率精銳步騎五千人，乘夜從小路偷襲烏巢。曹操軍至烏巢，命四麵放火，袁軍大亂，淳於瓊拒營死守。袁紹聞知，急忙派兵救授，曹操左右見“‘賊騎稍近，請分兵拒之。’操怒曰：‘賊在背後，乃白！’士卒皆殊死戰，遂大破之，斬瓊等，盡燔其糧草”。當袁紹聽說曹操襲擊烏巢時，認為這正是攻破曹操大營的好機會，因此派去的援兵很少，而以重兵圍攻曹操大營。但曹營未破，烏巢敗訊已經傳來，袁軍潰散，大將張郃等人投降曹操。袁紹棄軍逃回黃河以北。於是曹軍大獲全勝，斬首七萬餘級，盡獲袁軍輜重圖書珍寶。曹操清點袁紹書信，得到自己部下寫給袁紹的信，盡燒之，說：“當紹之強，孤猶不能自保，而況眾人乎？”
從客觀條件上說，曹操本處於劣勢，但由於他能正確分析客觀條件，善於聽取別人的正確意見，所以能揚長避短，采用正確的戰略戰術，使戰爭向有利於自己的方麵轉化，經過自己主觀上的努力，終於贏得了勝利。
官渡一戰，曹操擊潰了最大敵人袁紹，由他統一北方已是大勢所趨。
建安七年，袁紹病死，袁紹的兩個兒子袁譚、袁尚不和，發生火並。袁譚不敵袁尚，向曹操乞降。
建安九年二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁譚之機，進軍圍攻鄴城。袁尚率軍回救，依滏水（今滏陽河）為營，曹操進軍將其營寨包圍。袁尚害怕，請求投降，曹操不許。袁尚乘夜逃跑，袁軍潰散。袁尚逃奔中山（今河北定縣）。曹操命人拿著繳獲袁尚的印綬節鉞招降鄴城守軍，城中鬥誌崩潰。鄴城遂被曹操攻破。第二年正月，曹操又以負約為名，攻滅袁譚，冀州平定。於是，曹操讓還兗州牧，改任冀州牧。