不久後，曹操引兵向南，征討劉表，袁譚、袁尚反目成仇，互相攻擊。
袁譚不敵袁尚，敗走平原，遣辛毗向曹操乞降求救。
當時，諸將都懷疑有詐，只有荀攸勸曹操答應袁譚。
曹操說：“我攻打呂布之時，劉表沒有侵犯我方；官渡之戰時，他又不肯幫助袁紹。這只是個自守的賊子，應該等到以後再來對付他。而袁譚、袁尚狡猾，我正應該趁北方混亂時發動攻擊。就算袁譚挾詐，不肯真心屈服我軍，但我擊破袁尚，奪取他的地盤，對我軍也更加有利。”
於是，再次北上，袁尚聞訊也退回鄴城。
當時，袁尚部將呂曠、呂翔背叛袁尚，率眾投降曹操，曹操封兩人為列侯。
袁譚私自刻將軍印綬，交給呂曠兩人，呂曠把將軍印送給曹操。
曹操說：“我自然知道袁譚會耍些小聰明。他想讓我攻擊袁尚，然後趁機略民聚眾，自以為破袁尚後，實力足以自強，可趁我軍疲敝來與我抗衡。但擊破袁尚後，我的勢力更加強盛，哪可能會疲敝，讓他有機可乘呢？”
曹操為了讓袁譚暫時安心，還和袁譚結親，讓自己的兒子曹整娶袁譚的女兒。
建安九年204年）正月，曹操率兵渡過黃河，截斷淇水，引入白溝，作為運糧的通道。
二月，袁尚再次出兵攻打袁譚，曹操趁機進軍鄴城。
當時，蘇由、審配鎮守鄴城，曹操進軍到洹水時，蘇由投降。
曹操到達鄴城外，做土山、地道。
當時，武安長尹楷屯毛城，通上黨糧道。
四月，曹操留曹洪攻打鄴城，親自擊破尹楷，又擊破邯鄲的沮鵠，易陽令韓範、涉長梁岐皆舉縣投降。
五月，曹操毀土山、地道，作圍塹，決漳水灌城，城中餓死者過半。
七月，袁尚率軍回救，依滏水為營，曹操進軍將其營寨包圍。
袁尚害怕，請求投降，曹操不許。
袁尚乘夜逃跑，袁軍潰散，袁尚逃奔中山。
曹操命人拿著繳獲袁尚的印綬節鉞招降鄴城守軍，城中鬥志崩潰。
八月，審配的侄子審榮開啟東城門，曹操軍一舉攻破鄴城，擒殺審配。
之後，曹操哭祭袁紹墓，慰勞袁紹妻子，將袁紹的家人和寶物都還給了袁家，並賜給他們雜繒絮，供養他們家。
從這一年起，曹操把自己的據點北遷到了冀州的鄴城，政令軍隊此後皆從此出，而許縣則只留些許官吏。
九月，曹操下令：“河北遭受袁氏之難，不用再上繳今年租賦！”
又嚴厲打壓豪強兼併，百姓喜悅。
曹操領冀州牧，並上表讓還兗州牧。
當初，曹操圍攻鄴城時，袁譚趁機攻取甘陵、安平、勃海、河間，又擊破故安的袁尚敗軍，兼併其眾。
曹操寫信給袁譚，責備他負約，與他斷絕婚姻，將他的女兒送回，然後進兵。
十二月，曹操進入平原，略定諸縣。
建安十年205年）正月，曹操攻滅袁譚，冀、青二州平定。
當初，袁尚兵敗後，投奔幽州刺史袁熙。
此月，幽州大將焦觸、張南起兵反袁氏，袁尚、袁熙又逃奔三郡烏桓。
焦觸自稱幽州刺史，舉郡縣歸附曹操。
四月，黑山軍首領張燕率領其部眾十餘萬人投降曹操。
故安人趙犢、霍奴起兵，殺死幽州刺史，三郡烏桓又圍攻鮮于輔於獷平。