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刘备离开曹操后，曹操派兵攻打刘备。刘备之弟关羽，张飞分别擒拿了曹军将领王忠，刘岱。得知曹操虚张声势，实则屯兵黎阳以河北为重。之后曹操收复了张绣，贾诩，从而牵制刘备与袁绍两股势力。
许都内国舅董承受衣带诏，联合众人欲杀曹操。建安五年正月，董承谋杀曹操事败，太医吉平撞柱而亡，曹诛杀董贵妃，董承涉事等人一并被杀。
次年，曹操安抚西凉马腾，发兵攻打徐州。二月亲自率精兵东击刘备，迅速占领沛县，转而进攻下邳，迫降关羽。刘备全军溃败，只身逃往河北投奔袁绍。
建安五年二月进军黎阳，企图渡河寻求与曹军主力决战。他首先派颜良进攻白马，以保障主力渡河。此时谋士荀攸认为袁绍兵多，建议声东击西，分散其兵力。袁绍果然分兵延津。关羽杀死颜良并斩首而还，袁军溃败。袁绍派文丑与刘备继续率兵追击曹军，曹操令士卒解鞍放马，将辎重丢弃道旁。袁军中计，曹军发起攻击，关羽杀了文丑。后颜良、文丑一战而斩，袁绍锐气挫伤。此时刘备已知关羽在袁绍处，托孙乾送信于关羽，关羽千里走单骑护送两位夫人，千里寻兄。最终兄弟古城相会，再续桃园之义。
期间，孙策打败刘勋声势大振。孙策杀吴郡太守许贡，许贡门客在其狩猎间刺杀孙策，孙策受伤中毒。又因继承实现江东大业的父志，加之期间于吉道人等事件，思虑过重。使其病发而死，时年二十六岁。
建安五年八月，袁军主力接近官渡，阵营东西宽约数十里，曹操与袁军对战。九月，袁绍构筑楼橹，堆土如山，用箭俯射曹营。曹军制作了霹雳车，发石击毁了袁军所筑的楼橹。双方相持三个月，曹兵少粮缺，士卒疲乏，在荀彧的鼓励下，曹操决心继续坚守。十月，袁绍令淳于琼护送粮草，屯积在袁军大营以北的乌巢。恰时，许攸投奔曹操，建议曹操轻兵奇袭乌巢，烧其辎重。袁绍获知曹操袭击乌巢后，派轻骑救援，令张郃、高览率重兵攻曹军。后张郃、高览投降曹操，导致了军心动摇，大军崩溃 。袁绍带八百骑退回河北。官渡之战后为曹操击溃袁绍，统一北方奠定了坚实基础。