不久后，曹操引兵向南，征讨刘表，袁谭、袁尚反目成仇，互相攻击。
袁谭不敌袁尚，败走平原，遣辛毗向曹操乞降求救。
当时，诸将都怀疑有诈，只有荀攸劝曹操答应袁谭。
曹操说：“我攻打吕布之时，刘表没有侵犯我方；官渡之战时，他又不肯帮助袁绍。这只是个自守的贼子，应该等到以后再来对付他。而袁谭、袁尚狡猾，我正应该趁北方混乱时发动攻击。就算袁谭挟诈，不肯真心屈服我军，但我击破袁尚，夺取他的地盘，对我军也更加有利。”
于是，再次北上，袁尚闻讯也退回邺城。
当时，袁尚部将吕旷、吕翔背叛袁尚，率众投降曹操，曹操封两人为列侯。
袁谭私自刻将军印绶，交给吕旷两人，吕旷把将军印送给曹操。
曹操说：“我自然知道袁谭会耍些小聪明。他想让我攻击袁尚，然后趁机略民聚众，自以为破袁尚后，实力足以自强，可趁我军疲敝来与我抗衡。但击破袁尚后，我的势力更加强盛，哪可能会疲敝，让他有机可乘呢？”
曹操为了让袁谭暂时安心，还和袁谭结亲，让自己的儿子曹整娶袁谭的女儿。
建安九年（204年）正月，曹操率兵渡过黄河，截断淇水，引入白沟，作为运粮的通道。
二月，袁尚再次出兵攻打袁谭，曹操趁机进军邺城。
当时，苏由、审配镇守邺城，曹操进军到洹水时，苏由投降。
曹操到达邺城外，做土山、地道。
当时，武安长尹楷屯毛城，通上党粮道。
四月，曹操留曹洪攻打邺城，亲自击破尹楷，又击破邯郸的沮鹄，易阳令韩范、涉长梁岐皆举县投降。
五月，曹操毁土山、地道，作围堑，决漳水灌城，城中饿死者过半。
七月，袁尚率军回救，依滏水为营，曹操进军将其营寨包围。
袁尚害怕，请求投降，曹操不许。
袁尚乘夜逃跑，袁军溃散，袁尚逃奔中山。
曹操命人拿着缴获袁尚的印绶节钺招降邺城守军，城中斗志崩溃。
八月，审配的侄子审荣打开东城门，曹操军一举攻破邺城，擒杀审配。
之后，曹操哭祭袁绍墓，慰劳袁绍妻子，将袁绍的家人和宝物都还给了袁家，并赐给他们杂缯絮，供养他们家。
从这一年起，曹操把自己的据点北迁到了冀州的邺城，政令军队此后皆从此出，而许县则只留些许官吏。
九月，曹操下令：“河北遭受袁氏之难，不用再上缴今年租赋！”
又严厉打压豪强兼并，百姓喜悦。
曹操领冀州牧，并上表让还兖州牧。
当初，曹操围攻邺城时，袁谭趁机攻取甘陵、安平、勃海、河间，又击破故安的袁尚败军，兼并其众。
曹操写信给袁谭，责备他负约，与他断绝婚姻，将他的女儿送回，然后进兵。
十二月，曹操进入平原，略定诸县。
建安十年（205年）正月，曹操攻灭袁谭，冀、青二州平定。
当初，袁尚兵败后，投奔幽州刺史袁熙。
此月，幽州大将焦触、张南起兵反袁氏，袁尚、袁熙又逃奔三郡乌桓。
焦触自称幽州刺史，举郡县归附曹操。
四月，黑山军首领张燕率领其部众十余万人投降曹操。
故安人赵犊、霍奴起兵，杀死幽州刺史，三郡乌桓又围攻鲜于辅于犷平。
八月，曹操率兵北征，斩杀赵犊，又渡河救援犷平，乌桓奔走出塞。
当初，袁绍令其外甥高干领并州。
曹操攻破邺城后，高干投降了曹操，仍然被任命为并州刺史。
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而曹操讨伐乌丸之时，高干举州反曹操，捉拿上党太守，举兵守壶口关。
曹操遣乐进、李典讨伐高干，高干退守壶关城。
建安十一年（206年）正月，曹操攻打高干。
高干留别将守城，自己逃入匈奴，向单于求救，单于不从。
曹操围壶关前后三月，最终城陷。
高干逃向荆州，在途中被上洛都尉王琰捕杀。
又东征淳于，遣乐进、李典击破海贼管承。
建安十二年（207年），曹操回到邺城，大封功臣二十多人，皆为列侯，其余依次受封。
曹操为了肃清袁氏残余势力，也为了彻底解决三郡乌桓入塞为害问题，决定远征乌桓。
汉末，辽西、辽东、右北平三郡乌桓结合，是为三郡乌桓，其首领为辽西部的蹋顿。
三郡乌桓与袁氏关系一直很好，并屡次侵扰边境，掳掠人口财物。
五月，曹操亲率大军到达无终。
时正雨季，道路积水，“浅不通车马，深不载舟船”。
曹操从无终人田畴之议，改从一条久已断绝，但“尚有微径可寻”的路线进军。
在田畴的引导下，曹操大军登徐无山，出卢龙塞，“堑山堙谷五百余里”，直指乌桓老巢柳城。
八月，曹军进至离柳城不足二百里时，乌桓才发现。
于是，蹋顿与袁尚、袁熙等人率数万骑兵迎击。
二军相遇，时乌桓军军势甚盛，而曹军则是“车重在后，被甲者少，左右皆惧”，唯独张辽力劝曹操迎战。
曹操登高了望，见乌桓军虽多，但阵势尚未摆好，遂命将自己的持麾授予张辽暂用。
张辽指挥先锋部队，乘乌桓军阵稍动之机，向乌桓军发动猛攻。
乌桓军大败，死者被野，乌桓单于蹋顿也被临阵斩杀。
曹军在白狼山之战中大获全胜，胡、汉降者二十余万，袁尚等人逃奔割据平州的公孙康。
这时，有人劝曹操乘势进击公孙康。
曹操说：“吾方使康斩送尚、熙首，不烦兵也。”
于是，率军还师。
不久，公孙康果然斩杀袁尚、袁熙，并将其首级献与曹操。
诸将不明所以，曹操说：“彼素畏尚等，吾急之则并力，缓之则自相图，其势然也。”
于是，曹操攻破三郡乌桓，也彻底肃清了袁氏势力。
十一月，曹操行至易水，代郡乌丸行单于普富卢、上郡乌丸行单于那楼率其部下名王来贺。