双方在官渡相持了三个多月。曹操方面军队人数少，军粮又很缺乏，战争如果旷日持久地僵持下去，将对曹军不利，曹操统治区内有些郡县就已经叛变了。面对这种情况，曹操曾一度打算退守许昌。曹操的谋士荀彧（yu 郁）向他详细分析了战争的前途，鼓励他在关键时刻，一定要坚持下去，以便争取战争的最后胜利。曹操接受了荀彧的意见，坚定了同袁绍周旋到底的决心。他一面命令部队继续固守官渡，一面密切注视袁军的动态，寻找有利战机，进行最后决战。

一天，曹军的探子侦察到：有几千辆袁军粮车，正在往官渡运送途中，押运官韩猛是个有勇无谋的人，打起仗来轻敌少备。曹操闻报，立刻派部将徐晃、史涣前往劫粮，在半路上打跑了韩猛，烧掉了他押送的全部粮车和军用物资。到了十月，袁绍又派人从河北运来一万多车军粮，囤积在大营以北四十里的故市、乌巢（都在今河南延津境内），还特派大将淳于琼带领一万人驻在那里保护。由于上次粮车被烧，一度造成袁军给养困难；这次沮授特别提醒袁绍，要他另派蒋奇率领一部分军队驻防在淳于琼的外侧，以防曹军偷袭。袁绍又没有采纳。谋士许攸认为曹军主力集中官渡，后方必定空虚，他建议袁绍派遣轻骑抄袭曹军后方，星夜袭占许昌。袁绍骄傲地说：“不必，我一定可以在这里擒住曹操！”许攸感到袁绍这样骄傲轻敌，最后必然要败给曹操，不免对袁绍失去信心。正在这时，许攸的家族有人犯了法，被留守邺城的审配拘留起来。许攸一气之下，背弃袁绍，去投奔曹操。

曹操听说许攸来投靠，高兴得连鞋子都没有来得及穿，就跑出去迎接。曹操拍手说：“子远（许攸的字）远道而来，我的大事一定可以成功了。”许攸坐下来。开口就问曹操：“袁绍军势很盛，您打算怎样对付他？目前还有多少军粮？”曹操说：“可以支持一年。”许攸知道这是假话，就说：“没有这么多吧！”曹操又说：“可以支持半年。”许攸直截了当地说：“您不想打败袁绍吗？为什么不说实话呢：”曹操知道瞒不过许攸，才说：“其实军粮只够维持一个月了，你看该怎么办呢？”许攸见曹操说了实话，这才把袁绍在乌巢堆积军粮的情况完全告诉了他，并且说：“袁军粮囤没有特别防守，如果您率领轻兵前往偷袭，把袁绍的粮草和辎重全部烧掉，不出三天，袁军将会不战自溃。”

许攸的献策，使曹操喜出望外。当天夜里，万籁俱寂，星光满天，曹操留下曹洪、荀攸防守官渡大营，亲自率领精锐步骑兵五千人，打着袁军旗号，每人手持一束干柴，口里衔着横枚，把所有的马嘴都绑扎起来，从小路奔向乌巢。枚是一根象筷子样的小木棍儿，古代夜间行军或偷袭敌营，往往让军士每人口中衔枚一个，以免说话或出声，被敌人发觉。枚的两头还有绳子拴在脖子上。在行军途中，曹军忽然遇到一队袁军，盘问他们是何处兵马。曹操让士兵回答说：“袁将军恐怕曹操偷袭乌巢粮囤，特地派我们前去增援。”就这样，曹军顺利地通过了袁军的防线。天还没亮，他们就摸进了乌巢，把袁军的粮囤团团围住，放起火来。在黑夜里，只见粮囤周围浓烟四起，火光冲天。袁军从梦中惊醒，慌作一团，不知如何是好。袁军守将淳于琼仓促应战，经过曹军一阵猛攻，只得退守营门。

袁绍听说曹操进攻乌巢粮囤，仍旧没有引起足够的重视，反而盲目地认为这是攻下官渡、歼灭曹军主力的好机会。他对长子袁谭说：“即使曹操攻破淳于琼，只要我们攻下曹操的大营，他就没有退路了！”于是命令大将张郃（he合）、高览率兵去攻打曹操官渡大营。张郃认为曹操亲领精兵围攻乌巢，恐怕淳于琼支持不住。如果乌巢有失，大事也就完了。因此，他一再请求袁绍先派兵去救淳于琼。可是，袁绍在谋士郭图的迎合下，仍然坚持以主力去进攻曹操官渡大营，只派少数骑兵去救乌巢。由于曹军官渡阵地坚固，战士死守，袁军攻打不下，主力部队反而被吸引住，这就给曹操攻下乌巢创造了有利条件。当袁绍的增援骑兵临近乌巢的时候，曹操的部下慌忙报告说：“敌人援军就要到了，我们快分一部分部队去抵挡吧！”当时，正是能否攻下乌巢，决定胜负大局的紧要关头。因此，曹操严厉命令部下说：“等敌人到了我们背后，再来报告！”在曹操坚决果断的指挥下，将士拼死战斗，不但击溃了袁军的增援部队，而且攻下了乌巢粮囤，杀死了淳于琼。袁军的一万车粮谷被烧得一干二净！

淳于琼战败被杀的消息传到官渡前线，张郃看到大势已去，又听说郭图在袁绍面前说他坏话，他既气愤又害怕，便同高览把全部攻城器械烧掉，一同到曹营去投降。袁军粮囤被烧，军心已发生动摇，这回主将投降，更加慌乱，一下子全都溃散了。曹军乘势出击，袁军大败，主力差不多全部被歼灭，袁绍和袁谭只率领八百名亲兵逃回黄河以北。袁绍因为这次惨败，实力再也恢复不过来，终于积忧成疾，在公元202年五月发病死去。他的几个儿子争权夺位，互相攻杀，结果被曹操各个击破。公元207年，曹操彻底消灭了袁氏的残余力量，结束了袁氏父子的残暴统治，曹操统一中国北方的局面终于形成了。