建安五年（200年）正月，车骑将军董承、偏将军王服、越骑校尉种辑接受了汉献帝的衣带诏，欲诛杀曹操，但事泄，被曹操夷灭三族。袁绍终于获得了名正言顺的开战理由，于是，袁绍奉衣带诏讨伐曹操，派陈琳书写檄文并公开发布，檄文中把曹操骂得无法忍受。袁、曹两家公开宣战。
当曹操正部署对袁绍作战时，参与了衣带诏之谋的刘备起兵反曹。刘备占领下邳，屯据沛县（今江苏沛县）。刘备军增至数万人，并与袁绍联系，打算合力攻曹。曹操为保持许都与青、兖二州的联系，避免两面作战，于次年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。当曹、刘作战正酣之时，袁绍谋士田丰建议袁绍“举军而袭其后”，但袁绍以幼子有病为辞拒绝采纳，致使曹操从容击败刘备回军官渡。
曹操派遣臧霸、孙观、孙康等人牵制青州刺史袁谭。
二月，袁绍进军黎阳，企图渡河寻求与曹军主力决战。他首先派颜良进攻白马的东郡太守刘延，企图夺取黄河南岸要点，以保障主力渡河。四月，曹操为争取主动，求得初战的胜利，亲自率兵北上解救白马之围。
此时谋士荀攸认为袁绍兵多，建议声东击西，分散其兵力，先引兵至延津，伪装渡河攻袁绍后方，使袁绍分兵向西，然后遣轻骑迅速袭击进攻白马的袁军，攻其不备，定可击败颜良。曹操采纳了这一建议，袁绍果然分兵延津。
曹操乃乘机率轻骑，派张辽、关羽为前锋，急趋白马。关羽迅速迫近颜良军，冲进万军之中杀死颜良并斩首而还，经过一番交战，关羽望见了颜良麾盖（大将所乘戎车，设幢麾、张盖），在张辽军队的掩护下，关羽策马冲到颜良身边，在万众之中刺死颜良，又拔出腰间佩刀斩其首级而归。从始自终，袁军诸将都不能挡住关羽。曹操挥动着自己手中所持“麾”，徐晃等人的后续部队奉令冲杀。袁军溃散，袁军溃败。
曹操解了白马之围后，迁徙白马的百姓沿黄河向西撤退。袁绍率军渡河追击，军至延津南，派大将文丑与刘备继续率兵追击曹军，曹操当时的骑兵不足六百，驻于南阪（在白马南）下，而袁军达五六千骑，尚有步兵在后跟进。曹操令士卒解鞍放马，并故意将辎重丢弃道旁。
袁军果然中计，纷纷争抢财物。曹操突然挥动着自己手中所持“麾”，下令发起攻击。徐晃等人翻身上马，终于击败袁军，杀了文丑（文丑为乱军所杀，并不是关羽斩杀），顺利退回官渡。颜良、文丑都是河北名将，却被一战而斩，袁绍军队的锐气被挫伤。
相持
袁军初战失利，但兵力仍占优势。七月，进军阳武（今河南中牟北），准备南下进攻许都。八月，袁军主力接近官渡，依沙堆立营，东西宽约数十里，曹操也立营与袁军对峙，曹军“合战不利”。九月，曹军再度出击，与袁军交战不利，再次退回营垒，坚守。
袁绍构筑楼橹，堆土如山，用箭俯射曹营。曹军制作了一种抛石装置的霹雳车，发石击毁了袁军所筑的楼橹。袁军又掘地道进攻，曹军也在营内掘长堑相抵抗，粉碎了袁军的计策。双方相持三个月，曹操外境困难，前方兵少粮缺，士卒疲乏，后方也不稳固，曹操几乎失去坚守的信心，一日见运粮士兵疲于奔命，于心不忍，不禁脱口而出，“却十五日为汝破绍，不复劳汝矣！”
曹操写信给荀彧，商议要退守许都，荀彧回信说：“袁绍将主力集结于官渡，想要与公决胜负。公以至弱当至强，若不能制，必为所乘，这是决定天下大势的关键所在。当年楚、汉在荥阳、成皋之间，刘邦、项羽没有人肯先退一步，以为先退则势屈。现在公以一当十，扼守要冲而使袁绍不能前进，已经半年了。
情势已然明朗，绝无回旋的余地，不久就会发生重大的转变。这正是出奇制胜的时机，千万不可坐失。”
于是曹操决心继续坚守待机，同时加强防守，命负责后勤补给的任峻采取十路纵队为一部，缩短运输队的前后距离，并用复阵（两列阵），加强护卫，防止袁军袭击；另一方面积极寻求和捕捉战机，击败袁军，不久派曹仁、史涣截击、烧毁袁军数千辆粮车，增加了袁军的补给困难。
期间，汝南郡黄巾军刘辟叛变，袁绍使刘备前往相助，又派韩荀钞断曹军西道，皆被曹仁击破。江东孙策意欲偷袭许都，却被刺客暗杀。
奇袭
十月，袁绍又派车运粮，并令淳于琼率兵万人护送，夜宿于袁军大营以北约20公里的故市（河南延津县内）、乌巢（今河南延津东南）。恰在这时，袁绍谋士许攸投奔曹操，建议曹操轻兵奇袭乌巢，烧其辎重。曹操立即付诸实行，留曹洪、荀攸守营垒，亲自率领步骑五千，冒用袁军旗号，人衔枚马缚口，各带柴草一束，利用暗夜走小路偷袭乌巢。到达后立即围攻放火。
袁绍获知曹操袭击乌巢后，一方面派轻骑救援，另一方面命令张郃、高览率重兵猛攻曹军大营。可曹营坚固，攻打不下。
当曹军急攻乌巢淳于琼营时，袁绍增援的部队已经迫近。曹操励士死战，大破袁军，曹军骁将乐进斩杀淳于琼等，并将其粮草全数烧毁。张郃、高览闻得乌巢被破，于是投降曹操，导致了军心动摇，内部分裂，大军崩溃。袁绍仓惶带八百骑兵退回河北，曹军先后歼灭和坑杀袁军七万余人，也有说是八万人。
官渡之战增强了曹操的实力，为曹操击溃袁绍，统一北方奠定了坚实的基础。北方仅有曹操和袁绍势力较大，此战击溃了袁绍，北方就无人能和曹操抗衡。