次年2月，袁绍派遣郭图、淳于琼、颜良在白马攻打东郡太守刘延，袁绍领兵到了黎阳，准备渡过黄河。夏季4月，曹操往北救援刘延，荀攸劝说曹操道：“如今我们兵力少不能抵挡，分散敌人的兵力才可以取胜。您到了延津，装作准备渡过黄河向他们的后方进军，袁绍必定往西迎战您，然后派轻装部队袭击白马，趁他们没有防备，就可以捉住颜良了。”曹操听从了荀攸的计策。袁绍听说曹军渡过黄河，立即分出兵力往西迎战曹军。曹操就率领军队急行，直奔白马，离白马尚有10多里，颜良大惊，前来迎战。曹操派张辽、关羽做先锋，先打败了敌人，斩了颜良，终于解除了白马之围，迁徙白马的百姓，循着黄河朝西走。袁绍在这时渡过黄河追击曹操的部队。追到延津的南面，曹操指挥军队在西面山坡下扎营，派人登上营垒望敌军，报告说：“大约有6000骑兵。”过了一会儿，又报告：“骑兵逐渐增多，步兵多得数不过来。”曹操说：“不用再报告了。”就下令让骑兵御下马鞍放开马匹。这时，白马驻军的辎重已经上路。各将领认为敌军的骑兵多，不如回去守卫军营。荀攸道：“这是用来引诱敌人上钩的，为什么要离开这儿呢？”袁绍的骑兵将领文丑和刘备带领大约6000骑兵先后来到。各将领又说：“可以上马了。”曹操说：“可以了。”于是大家都上马，当时骑兵不足600人，就挥军出击，大败敌军，斩了文丑。颜良、文丑都是袁绍的有名将领，两次交战，都被擒杀，袁绍的军队大为震动，曹操回军官渡。袁绍进军保卫阳武。关羽逃回刘备那儿。
8月，袁绍连接营垒逐渐向前推进，靠着沙丘驻扎，从东到西连绵数十里。曹操也分扎营垒跟敌方对抗，交战不利。当时曹操兵力不足1万人，伤员占十分二三。袁绍军队前进到官渡，堆土山挖地道。曹操也在营内堆土山挖地道，跟敌军对抗。袁绍军射箭入曹军营中，箭下如雨，走动的都要用盾牌遮挡，大家非常害怕。这时曹操粮食少，给荀彧写信，商议打算撤回许都。荀彧回信说：“袁绍全部人马聚集在官渡，准备跟您决一胜负。您以最弱小的兵力对抗最强大的敌军，如果不能制服他，必定被敌军所追逐，这是天下的重大转机啊。况且袁绍只是一个一般的豪雄罢了，能够聚集人才却不能使用人才。凭借您的神武英明并且加上以天子之命讨伐叛乱的正当名义，有什么事而不能做成功呢？”曹公听从了荀彧的意见。
袁绍数千辆运送谷物的车子到达，曹操采用荀攸的计策，派徐晃、史涣去截击，大败袁军，全部烧毁了袁绍的运粮车。曹操跟袁绍相持了几个月，虽然每次交战都斩杀敌将，但是兵少粮尽，士兵疲乏。曹操对运粮的人说道：“再过15天替你们打败袁绍，不再让你们劳苦了。”冬季10月，袁绍派车运粮，令淳于琼等5个人带领1万多士兵护送车队，露宿在袁绍军营北面40里的地方。袁绍的谋臣许攸贪婪无度，袁绍不能满足他，就前来投奔曹操，借机劝说曹操攻打淳于琼等人。曹操身边的人怀疑他。荀攸、贾诩劝说曹操采纳。曹操于是留下曹洪防守，自己带领5000步兵和骑兵乘夜前往，恰在天亮时到达。淳于琼等人望见曹操兵少，出去到营门外布阵。曹操急速攻击淳于琼，淳于琼退守营房，于是就攻打淳于琼的营房。袁绍派骑兵援救淳于琼。曹操身边的人有的说：“敌人的骑兵逐渐接近，请求分兵抵抗他们。”曹操发怒说：“敌人到背后才报告！”士兵都拼死作战，大败淳于琼等人，把他们全斩了。袁绍刚听到曹操攻打淳于琼时，对大儿子袁谭说道：“趁他攻打淳于琼等人，我去攻占他的军营，他就没有地方落脚了！”于是派张合、高览攻打曹洪。张合等人听到淳于琼败亡，就前来投降。袁绍军队大溃败，袁绍和袁谭扔下军队逃跑，渡过了黄河。曹军追赶上他们，全部缴获了他们的辎重、图表文书和珍宝，俘虏了他们的部众。曹操缴获袁绍的信件中，有许都和曹军中的人和袁绍来往信件，曹操把它们全部烧掉了。冀州各郡很多城邑都自动投降了。
6年夏季4月，曹操在黄河边检阅军队，攻击袁绍在仓亭的军队，把它打败。袁绍回来，又收拢被打散的士兵，平定了各反叛的郡县。9月，曹操回到许都。
袁绍自从军队被打败之后，发病吐血，在夏季五月死去。小儿子袁尚接替他的官职，袁谭自称车骑将军，驻扎在黎阳。秋季9月，曹操征讨他们，连续交战，袁谭、袁尚屡次战败退却，坚守黎阳。
4.远征乌桓
三郡乌桓趁天下的动乱，攻下幽州，掠取汉民合计10余万户。袁绍把他们的首领都立为单于，把族人的女孩子作为自己的女儿，嫁给他们做妻子。辽西单于蹋顿尤为强大，被袁绍所看重，所以袁尚兄弟投奔他，频繁入塞造成灾难，曹操准备征讨他们。
12年春季2月，曹操从淳于返回邺城。丁酉日，下令道：“我发动义军铲平暴乱，到现在有19年了，所征讨的必定战胜，难道是我个人的功劳吗？这是有才能的士大夫们的力量啊。天下虽然尚未完全安定，我应当和有才能的士大夫们一起平定它。可是独自享有那些功劳，我怎么能够心安理得呢？要赶紧评定功绩、实行封赏。”于是广泛地封赏20多位功臣，都封为列侯，其余的人各按功劳大小受封，并且免除死难者的子孙的徭役，封赏或轻或重各有差别。
将要北征三郡乌桓，各将领都说：“袁尚，是一个逃亡的敌人罢了，夷人贪婪而没有爱心，哪里会被袁尚所利用？如今深入征讨他，刘备必定说服刘表来袭击许都。万一发生事变，后悔也来不及了。”只有郭嘉算定刘表必定不会信任刘备，劝曹操北征。夏季5月，到达无终。秋季7月，发大水，沿海道路不通，田畴请求担任向导，曹操听从他，带领军队出卢龙塞，塞外道路断绝不通，于是开山填谷500多里，路过白檀，经历平冈，走过鲜卑族地区，向东直扑柳城，距离柳城200里时，敌人才知道消息。袁尚、袁熙和蹋顿、辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之等人带领数万骑兵迎战曹军。8月，曹操登上白狼山，突然跟敌人碰上，敌兵非常多。曹操的辎重尚在后边，披戴铠甲的人很少，左右的人都害怕。曹操登上高处，望见敌军的阵势不整齐，就出兵攻击敌阵，派张辽做先锋，敌军大崩溃，斩了蹋顿和名王以下多人，投降的胡人和汉人共20余万人。辽东单于速仆丸和辽西、右北平各头领，扔下他的族人，跟袁尚、袁熙逃奔到辽东，相随的部下尚有数千骑兵。当初，辽东太守公孙康依仗地处偏远不肯归服。等到曹操打败乌桓，有人劝说曹公立即征讨他，就可以捉住袁尚兄弟俩。曹操说：“我正让公孙康斩下并且送来袁尚、袁熙的人头，不去麻烦军队了。”9月，曹操率兵从柳城回来，公孙康随即斩了袁尚、袁熙和速仆丸等人，把他们的人头送来。将领中有人问；“曹公回来而公孙康斩下并送来了袁尚、袁熙的人头，是什么原因呢？”曹操说：“公孙康向来害怕袁尚等人，我紧逼他就把力量联合起来，放松他就会互相算计，情势就是这样啊。”11月到达易水，代郡乌桓代理单于普富卢、上郡乌桓代理单于那楼带领他们的名王前来祝贺。
12年春季正月，曹操回到邺城。开凿玄武池来训练水军。汉朝廷撤销三公的官职，设置丞相、御史大夫。夏季六月，任命曹操为丞相。
5.赤壁之战
公元200年，曹操统一了北方，占据了8州的地盘，形成了独占中原的格局。接着他又挥师平定辽东地区的乌桓势力，基本稳定了后方地区，一时间成为当时历史舞台上不可一世的风云人物。然而，对于素怀雄心大志的曹操来说，统一北方地区，只能算作是统一天下的第一步而已。他的宏伟目标，是扫平所有的割据势力，重新统一天下。于是他便积极从事南征的战争准备。一切就绪后，曹操紧擂战鼓，兴起大军，浩浩荡荡向南方地区杀奔而来。
当时，南方的主要割据势力有两个，一个是立国三世的东吴孙权政权，他据有扬州六郡。这些地方土地肥沃、物产丰富，在当时战乱较少。而北方人的南迁又给当地带来了先进的生产技术，因此东吴的经济有了长足的进步。在军事上，孙权拥有精兵数万，有周瑜、程普、黄盖等着名将领，内部团结，加上据有长江天险，因而使它成为曹操吞并天下的主要障碍。
另一个是荆州的刘表。他基本上采取了维持现状的政策。但他年老多病，处事懦弱，其子刘琦和刘琮又因争夺继承权而闹得不可开交，所以政权并不稳固。至于刘备，在当时还没有自己固定的地盘。他原来依附袁绍，官渡之战后投奔刘表。刘表让他屯兵新野、樊城一带，为自己据守阻止曹军南下的门户。但刘备号称枭雄，志在复兴汉室，所以就趁着这一机会扩充军队、网罗人才。他这时拥有诸葛亮、关羽、张飞、赵云等谋士、猛将，是曹操吞并天下的又一重要障碍。
公元208年7月，曹操率军南下，他的第一个战略目标是荆州。荆州历来为兵家必争之地，如占据了它，既能够控制今湖北、湖南地区，又可以顺江东下，从侧面打击东吴，向西进军则可以夺取富饶的益州（今四川）。就在战争一触即发的紧要关头，刘表于8月因病一命呜呼了。接替他的次子刘琮更不争气，他让曹操的兵威吓破了胆，未作任何抵抗，就将荆州拱手献出。曹操兵不血刃，完成了南下战略的第一步，于是曹操率领号称80万的大军，自江陵（今湖北江陵）沿江东下直逼夏口（今湖北武昌）。刘备与刘表的长子刘琦一道率领大约2万左右的士兵，防守夏口，因为兵力悬殊，就派诸葛亮到江东去联合孙权，共同抗曹。
当时曹军中多是北方人，善于陆战，不善水战，又是远道而来、疲惫不堪、水土不服，生病的士兵很多。战斗力大大减弱，而曹操军队中，只有荆州降将会打水仗，但是东吴大都督周瑜使用反间计使曹操以为他们要造反，杀了他们，这样曹操手下就没有善于带水兵的将领了。
曹操的士兵，不习水性，长江的风浪把他们颠簸得口吐黄水，苦不堪言，东吴派谋士庞统向曹操献“连环计”，让曹操把战船都连成一片，上面铺木板，使各船的士兵、战马可以互相走动、如同平地，曹操非常高兴，没有识破这计谋。
周瑜的部将黄盖针对敌强我弱、不宜持久及曹军士气低落、战船连接的实际情况，建议采取火攻，奇袭曹军战船。周瑜采纳了这一建议，制定了“以火佐攻”，因乱而击之的作战方略。并由黄盖假装投降曹操，麻痹曹军。
接着，周瑜让黄盖写信向曹操约定了投降的时间。曹操不知是计，欣然同意。黄盖率船数十艘，满载干草，灌以油脂，并巧加伪装，插上旌旗，同时预备快船系挂在大船之后，以便放火后换乘，然后扬帆出发。当时，江上天气反常，正猛刮东南风，战船航速很快，迅速向曹军阵地接近。曹军望见江上船来，都以为是黄盖如约前来投降，纷纷挤到船头看热闹，丝毫不加戒备。
黄盖在距曹军1公里处，下令各船同时点火。一时间火光冲天，船箭一般地直冲曹军战船。而曹军船只首尾相连，分散不开，移动不得，顿时便成了一片火海。这时，风还是一个劲地猛刮，熊熊大火很快向岸上蔓延，一直烧到了岸上的曹军营寨。曹军将士被这突如其来的大火烧得惊慌失措、鬼哭狼嚎、溃不成军，烧死、溺死者不计其数。在长江南岸的孙、刘主力舰队乘机擂鼓前进，横渡长江，大败曹军。
曹操狼狈不堪，被迫率军由陆路经华容道向江陵方向仓皇撤退，又遇上大暴雨，道路泥泞不堪，以草垫路，才使得骑兵得以通过。一路上，人马自相践踏，死伤累累。孙、刘联军乘胜水陆并进，穷追猛打，扩大战果，一直追击到南郡（今湖北江陵境内）。曹操留曹仁、徐晃驻守江陵，乐进驻守襄阳，自己率领残兵败将逃回到北方。
这场赤壁大战至此以孙权、刘备方面大获全胜而宣告结束。
6.诱韩遂胜马超
此时汉中马超与韩遂、杨秋、李堪、成宜等人反叛。曹操派曹仁去讨伐他们。马超等人驻扎在潼关，曹操命令各将领：“关西士兵精锐强悍，要坚守壁垒不要跟他们交战。”秋季7月，曹操西征，与马超等人的部队夹着潼关驻军。曹操紧紧地牵制敌军，而暗中派徐晃、朱灵等人乘夜渡过蒲阪津，占据黄河西岸扎营。曹操从潼关北面渡河，还未渡过去，马超追赶渡船急忙攻打。校尉丁斐因而放出牛马来引诱敌人，敌人骚乱去抢夺牛马，曹操才得以渡过河去，沿着黄河修筑通道而向南推进。敌人撤退，在渭口进行抵抗，曹操于是在许多地方设置疑兵，暗中用船载着士兵进入渭水，架设浮桥，夜里，分兵在渭水南岸扎营。敌人乘夜攻打军营，伏兵打败了他们。马超等人驻守在渭水南岸，派遣信使请求割让黄河以西地区讲和，曹操不答应。9月，进军渡过渭水。马超等人频繁挑战，又不应战，坚决请求曹操割地，送儿子来做人质。曹操采用贾诩的计策，假意答应他。韩遂请求跟曹操相见，曹操跟韩遂的父亲是同年孝廉。又跟韩遂是同辈人，于是两人马靠着马交谈了好一阵子，但不涉及军事，只谈京都老朋友之间的旧事，拍手欢笑。会见完毕，马超等人询问韩遂：“曹操说了些什么？”韩遂说：“没有说什么啊。”马超等人对他起了疑心。另一天，曹操又给韩遂写信，有多处修改涂抹，好像是韩遂改定的样子，马超等人更加怀疑韩遂。曹操就与马超等人约定日期会战，先用轻装的士兵挑战，交战了很久，才出动勇猛如虎的骑兵夹攻，大败敌军，斩了成宜、李堪等人。韩遂、马超等人逃跑到凉州，杨秋逃到了安定，关中平定。各将领中有人问曹操道：“当初，敌军把守潼关，渭水北岸沿途空虚，不从河东攻打冯翊却驻守潼关。拖延一段日子而后北渡黄河，为什么呢？”曹操说：“敌军把守潼关，如果我军进入河东，敌人必定去防守各个渡口，那么就无法渡过西河去，我故意把大军开向潼关；敌军全部人马在南面防守，西河的防备就空虚，所以徐晃、朱灵二位将领能够专力夺取西河；然后率军北渡黄河，敌人不能跟我们争夺西河，是因为有徐晃、朱灵二位将军的军队啊。连接车辆树立栅栏，修筑通道向南推进，既是作不可战胜的准备，又把兵力薄弱显示出来。渡过渭水修建坚固的营垒，敌人前来也不出去应战，是以此来助长敌人的傲气啊；所以敌人修筑营垒而请求割让土地。我顺从他们的请求答应了他们。顺从他们的心意的原因，是使他们安心而不作准备，我们乘机积蓄士兵的力量，一旦攻击他们，就如同所说的疾雷不及掩耳的了，况且军事上的变化，本来就不是只有一种方法啊。”起初，敌人每有一支部队到达，曹操就露出高兴的脸色。敌人被打败之后，将领们询问其中的缘故。曹操答道：“关中地区辽阔，如果敌人各自据守险要的地方，没有一、二年是不能平定的。如今敌军都前来集中，他们人数虽多，却互不统属，军队里没有统一的主帅，一战便可以消灭掉，取得胜利比较容易，我因此高兴。”
公元220年，曹操在洛阳逝世，享年66岁。遗令道：“天下尚未安定，葬礼不得遵循古代的礼制。安葬完毕，都要脱掉丧服。那些率兵驻守卫戍的将领，都不得离开驻守部队。有关的官员各尽职责。入殓时用平时的服装，不要埋藏金玉珍宝。”曹操逝世后，谥号为武王。2月丁卯日安葬在高陵。