十月，袁绍从河北调集一万余车粮草，派大将淳于琼率领一万多士兵护送，夜宿在距离袁绍大营四十里的乌巢。恰在此时，袁绍的谋士许攸，因向袁绍献上偷袭许都的奇计不被采纳，加上家属在河北犯法被逮捕，心中愤懑不平，连夜逃出袁营，前来投奔曹操。
曹操听说许攸到来，大喜过望，来不及穿鞋，光着脚就跑出营外迎接，抚掌大笑。许攸感其诚意，当即献上绝密计策：奇袭乌巢，烧毁袁绍粮草，一战可定胜负。
曹操当机立断，亲自率领精锐步骑五千人，全部换上袁军旗帜，人衔枚、马勒口，趁夜色从小路悄悄摸向乌巢。曹军抵达乌巢后，立即四面放火，袁军从睡梦中惊醒，大乱不止，淳于琼退守营寨顽抗。
不久，袁绍的骑兵援军逼近，曹操身边将士见状急忙禀报：“敌人骑兵已近，请分兵抵挡！”
曹操厉声喝道：“贼兵到了背后，再来禀报！”
曹军将士知道退无可退，全都殊死奋战，一鼓作气大破乌巢袁军，斩杀淳于琼，将袁绍囤积的粮草全部烧成灰烬，袁绍派来的援兵也被击溃。
而在袁绍大营，得知曹操奇袭乌巢后，袁绍不听张郃全力救援乌巢的建议，反而命令张郃、高览率重兵攻打曹操坚固的官渡大营。结果曹营久攻不下，乌巢粮草已被烧尽，张郃、高览深知大势已去，又惧怕袁绍降罪，索性率军向曹操投降。
袁军军粮尽失、大将投降，全军彻底溃散。袁绍与长子袁谭魂飞魄散，来不及整顿军队，只带着八百骑兵，弃军仓皇渡过黄河，逃回河北。
官渡一战，曹军大获全胜。
战后，曹操将假意投降的袁军士兵全部坑杀，前后歼灭袁军七万余人，缴获的粮草、辎重、图书、珍宝不可胜数。曹操在清理袁绍的文书信件时，发现了大量自己部下暗中与袁绍往来的书信，左右劝他一一追查、严惩不贷，曹操却下令将书信全部当众烧毁，坦然说道：“当袁绍强盛之时，我自己都难以自保，何况众人呢？”
此举令原本心怀忐忑的部下死心塌地效忠，军心更加稳固。
官渡大胜之后，袁绍主力尽丧，河北震动，冀州各郡县城邑纷纷归顺曹操。
从客观条件来看，官渡之战中的曹操长期处于劣势，兵力、粮草、地盘均远不如袁绍。
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