本就對龐統軍有懼意的這群老弱病殘，又在後退所造成的混亂情況中，更是惶恐不已。各個棄械奔逃，四散而去。恐懼、流言馬上開始在整個後軍傳染。但後軍還是有很多人來不及跑，被前面後退過來的方陣擠到了河裡去。後軍潰散的氣息蔓延到了中軍。中軍還以為後軍被突襲了，又聽得說是前面中埋伏，陣腳大亂。
袁譚聽到後面聲勢嘈雜，正愁眉時，龐統大聲道：“庸才也敢統領幾十萬之眾。”他拔出王劍往袁譚一指。
只聽得龐統軍陣中戰鼓聲撼天震地，全軍開始衝鋒。袁譚嚇得馬上勒馬回陣。張頜緊隨其後，領十數騎護送袁譚到中軍。讓他們驚駭的是，中軍竟然散亂不堪，十幾個方陣的人都在作鳥獸散。就在這種狼狽的情況下。龐統軍勢如破竹，騎兵更是貫穿整個袁譚軍，來回衝殺。
袁譚最終在張頜的護送下往北奔逃。龐統軍大獲全勝，斬敵八萬人，俘虜十九萬人，其餘跑了，少數掉河裡去了。此次戰役被世人稱之為白洛河之戰，龐統軍以十萬人擊破袁譚大軍近五十萬人。
龐統縱馬至白洛河邊，周圍不少袁譚計程車兵跪伏在地。他俯瞰河面上全是溺水的浮屍，個別人還在岸邊掙扎。他深吸了口氣道：“敗軍之士，安息吧。”
曹操在彭城縣得知此事後，大呼道：“此人有鬼神莫測之能啊。”隨從謀士郭嘉淡然道：“該是袁譚太無知了。若是大人你，也可以辦到的。”
袁譚軍主力在白洛河之戰被殲滅，龐統把俘虜中近九萬老弱給發配到了信都縣，答應他們若攻下了冀州、幽州後，他們可以回去與家人團聚。俘虜對其感恩戴德，至信都縣大談龐統仁得，很快傳遍冀州。
此時，袁譚垂死掙扎，奔逃至南皮縣北面的彰武縣。他下令在縣城內將中央處的貿易區域的房子全部夷平，約一百間商戶和兩百多間民宅遭殃。他命人築起一座小城，外圍深挖五道溝渠，引河道水進入。城牆三道，皆設定城樓，用鐵門，防備森嚴。中心處高築三層的土石建築為核心，內建禁衛休息處，二層堆積大量糧草、食物，三層為其居所。
龐統派使者至彰武縣城命其投降，並答應降後給予豐厚待遇，但袁譚置之不理。龐統隨即攻佔了守衛薄弱的南皮縣。郭太攻打廣陽郡，郡守閻柔率兩千守兵投降。郭太軍與龐統軍對彰武形成了包夾之勢。袁譚也與僅剩下的幽州兩州領土失去了連線，成為了一處孤地。整個冀州就差彰武不在龐統的控制下。
龐統命令郭太繼續往東攻打幽州最後的遼西郡和遼東郡。他繼續派使者勸降袁譚，並且把告示貼到了南皮縣大小城鎮各處。袁譚對此繼續漠視。但已知袁家大勢已去的冀州百姓惶恐不安。已經有各地百姓對袁譚產生了怨恨，更有小兒編了歌曲咒罵：
袁譚小兒，小兒袁譚，
命數已定，已定命數；
不為百姓，百姓不顧，
孤守彰武，彰武惡住；
龐統仁義，仁布天下，
民心已背，袁氏終末。
袁譚惱怒的要求把唱此歌曲的人抓起來，但是由於唱的人太多了，一時間把整個彰武的牢房都填滿了。
龐統見袁譚依舊頑固，便揮軍十萬來到彰武縣城西門挑戰。守軍堅壁不出。龐統於十裡外下寨。巡邏隊截獲袁譚書信數封，都是出自袁譚之手，每封都一摸一樣，是寫給南皮東側靠海的黑山地帶的“黑山軍”的。黑山軍是黃巾之亂時百姓起義後失敗，躲到黑山形成的一股勢力，為數十萬人。由於袁譚派出很多探馬，龐統料定已經有探馬去了黑山。但是書信中已經說明了在四月下旬，若黑山眾來到彰武縣東門，便舉火為號，開門後引入。
龐統一面派使者至黑山，一面等待時間的流逝。
四月下旬，黑山眾到達彰武縣，於夜間舉火為號。袁譚開門引黑山軍而入。至三更，黑山軍反叛，開了四門，引龐統軍進入，一時間火把湧動，殺氣滔天。袁譚守軍五萬大亂，半個時辰內戰死大半，餘眾求饒。龐統來到城池中心處，看到了城內城，心嘆道：“這個王八蛋，到最後還要累壞百姓。”他舉劍朝天，對著牆頭的守兵高喊：“袁家已滅，降者厚待，違者夷平三族！”
片刻後，小城之內亂了起來，喊殺聲不斷。龐統笑道：“人心向背。”