直到曹操击败刘备，回军官渡之后，袁绍这才想起应该进袭许都。田丰认为前机已失，不宜再进袭许都，现在应该打持久战，并且建议袁绍：开辟南面战场的同时发展农业，以增加经济和军事实力。在此基础上，再挑选精锐，乘虚出击，侵扰河南，救右则击其左，救左则击其右，就是实行所谓的游击战术，使曹操疲于奔命不得安宁，人民不能安居乐业，生产也得不到发展，用不了三年时间，就可以坐取胜利。这个建议和沮授的意见是一致的。他们两人都反对袁绍与曹操决战，都主张“以久持之”。并且田丰警告袁绍说：“您要是不按我们说的做，到时候后悔就来不及了。”袁绍不听田丰的告诫，田丰则犯颜进谏，被袁绍投入监狱。袁绍的手下不是没有能人，只可惜这些人都生不逢时，没有遇到明主。
（四）白马、延津之战
建安五年（200年）正月，袁绍发布声绍派颜良过黄河去围攻东郡太守刘延，夺取黄河南岸的战略要地，以保证主力渡过黄河，自己则引军进驻黄河北岸的黎阳。
此时，曹操已击败刘备夺取了徐州，回军官渡。到了四月间，曹操用荀攸声东击西的计策，率军自官渡北上，伪装进军延津，摆出要袭击袁绍后方的姿态，袁绍果然上当，分兵支援延津。于是曹操率轻骑，派张辽、关羽为前锋，兼程赶往白马。曹军距白马十余里时，颜良这才发现，急忙分兵迎战，关羽乘其不备，斩了颜良，解了白马之围。
曹操解了白马之围后，救出刘延和城中军民沿黄河西撤，袁绍即率军渡河追击曹军。沮授劝袁绍：“颜良被斩，曹军撤退，胜负变化不可不详加了解，现在应该以延津为据点，分兵官渡，如果打胜了，再进军不晚，如果一旦受到挫折，大军还可以撤回来。”袁绍不听。沮授看到袁绍如此固执，于是借口有病，请求辞职。袁绍从此开始记恨沮授，剥夺了沮授手中仅有的一部分军队，归郭图管辖。
袁绍率大军过河，派大将文丑和刘备率兵追击曹军，由于袁军纪律败坏，临阵抢夺曹军故意丢弃的物资，曹操在延津南乘机又斩了文丑，袁军溃败，曹操胜利回到官渡。双方初战，袁绍就损失了两员大将，但从总兵力上来说，袁绍仍占绝对优势。
（五）官渡相持
八月，袁绍率军自阳武进至官渡前线，依沙堆立营，东西宽约数十里，与曹军对峙。袁绍认为这场战争有绝对胜利的把握，他自大地命令军中兵丁每人手里拿三尺长的绳子，等到把曹操抓住的时候好用来绑他。由此可见，袁绍骄傲轻敌到何种程度。
两军相持到九月间，曹操除与袁绍进行了一次小的交战外，始终坚守官渡阵地，等待战机。袁绍构筑高楼（亦称望楼），堆起土山，让士兵们在楼上射击曹军。号令一下，袁军万箭齐发，箭密得像雨点一般，曹营士兵只能用盾牌遮住身体活动。针对袁军这种战法，曹操命工匠连夜赶造了一种炮车，发射石块，把袁军的壁楼击破。炮车发射石块的时候，声响如雷，因此，当时人们都管这种车叫“霹雳车”。袁绍此计没有成功，又暗凿地道，直通曹营。曹操命人在营墙内挖掘长沟，进行防御，双方相持约三个月。在相持过程中，曹操处境很困难，由于曹操兵少粮尽，士卒疲乏，负担不起军费开支，又有很多人归降袁绍。
在曹军后方，袁绍派刘备到汝南配合汝南黄巾，攻掠汝南、颍川之间，招降豫州各郡，在这种情况下曹军内部军心不稳。曹操有些支持不住，他写信与荀彧商量，打算从官渡撤退，返回许都。荀彧对当时的情况进行分析后，认为谁先撤退，谁就会陷入被动。他看出袁军攻势已经减弱，力量几乎用尽，相持局面很快就会发生有利于曹军的变化，于是他回信说：“袁绍现在屯兵官渡，想要与我们决一死战。我们一定要以弱胜强，如果不胜而走，一定会失去很多机会，将不再有争夺天下的资格了！”曹操接受了荀彧的意见，一面坚守官渡阵地，一面积极寻求和捕捉战机。
（六）夜袭乌巢
一天，曹军的探子侦察到有几千辆袁军粮车，正在前往官渡的途中，押运官韩猛是个有勇无谋的人，打起仗来总是轻敌，曹操立刻派徐晃、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。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乌巢（在今河南延津境内），还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。衰绍又没有采纳。谋士许攸认为曹军主力集中在官渡，后方必定空虚，他建议袁绍派遣骑兵奇袭曹军后方，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。曹操拍着手说：“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告诉了他，并说：“袁军粮囤没有特别防守，如果您率领轻骑前往偷袭，把袁绍的粮草全部烧掉，不出三天，袁军将会不战自溃。”许攸的计策，使曹操喜出望外。
当天夜里，万籁俱寂，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。枚是一根像筷子似的小木棍，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。
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！”
于是袁绍命令大将张郃、高览率兵去攻打曹操的官渡大营。张郃认为曹操亲领精兵围攻乌巢，淳于琼恐怕支持不住。如果乌巢有失，则大势去矣。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，主力部队反而被拖住，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，曹操严厉地斥责部下说：“等敌人到了我们背后，再来报告。”
在曹操坚决果断的指挥下，将士们拼死战斗，不仅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，一同到曹营投降。袁军粮囤被烧，军心已经动摇，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，元气大伤，终于积郁成疾，在202年五月病发死去。他的几个儿子争权夺位，互相攻杀，结果被曹操各个击破。206年，曹操彻底消灭了袁氏的残余力量，结束了袁氏父子的统治，一统中国北方地区。