接着，颜良率军围攻白马城。曹操故意将部队引至延津，诱使颜良误以为曹军将从那里渡河。颜良果然上当，派兵前往延津。曹操趁机回师白马，突袭颜良军，大获全胜，颜良被杀，白马城归曹操所有。
袁绍得知颜良阵亡，虽痛心疾首，但仍仗着兵多将广，不以为意。他命大军分东西两路围攻官渡。曹操率军迎战，但初战失利，退守营地。随后多次发动进攻，均告失败。袁绍为攻取曹营，修建高木楼和土山丘，用弓箭手射击曹军，造成重大伤亡。然而，曹操的谋士想出妙计，制造霹雳车抛掷石块，摧毁木楼并杀伤众多袁军。袁绍见计不成，又试图挖地道偷袭曹营，但又被曹操察觉并封住地道。
三个月的激战过后，曹军与袁军仍陷入胶着状态，双方均未取得决定性的胜利。然而，长时间的战争已经让曹军粮草告急，士兵们疲惫不堪，士气低落。曹操心急如焚，不知该如何扭转战局。而袁军方面，袁绍从后方调集了大批粮草囤积于乌巢，交由将领淳于琼看守，意图持久作战。
此时，曹军粮食仅能维持一个月，形势岌岌可危。就在这个关键时刻，袁绍手下的谋士许攸因得不到重用，转而投奔曹操。他向曹操献上了一个大胆的计策——火烧乌巢。曹操闻之大喜，将许攸奉为上宾，与他共同商讨突袭乌巢的计划。
随后，曹操亲自率领精锐骑兵，高举袁绍的军旗，悄然来到袁军存放粮草之地。曹军士兵在乌巢四处放火，熊熊大火瞬间吞噬了粮仓。袁军士兵被火光与喊杀声吓得惊慌失措，忘记了抵抗。曹军趁机大开杀戒，斩杀了数万人，淳于琼也命丧当场。
乌巢粮草被焚的消息迅速传开，袁军士气大挫。曹操趁机挥军直捣袁军营地，许多袁军将领听闻淳于琼的死讯后，纷纷选择向曹操投降。曹军再接再厉，又斩杀了七万多袁军士兵。至此，袁绍的军队已所剩无几，他无奈之下只得独自逃回。官渡之战，最终以曹操的全面胜利告终。
这场战役成为中国历史上以少胜多的经典之战。曹操仅凭两万余人，便成功击败了袁绍的十万大军。官渡之战后，袁绍因兵败而一蹶不振，不久便抑郁而终。曹操则趁机消灭了袁绍的残余势力，逐步统一了北方地区。