袁绍，其总兵力大概不过几万人，投入前线的兵力据《武帝纪》说“兵不满万，伤者十二三”。刘宋、裴松之认为此数不准确，曹操的兵力不会如此之少，但曹操兵力远逊于袁绍却是毫无问题的。袁绍大军来攻，许都震动。曹操安慰众将说：“吾知绍之为人，志大而智小，色厉而胆薄，忌克而少威，兵多而分画不明，将骄而众令不一，土地虽广，粮食虽丰，适足以为我奉也。”曹操对袁绍有很深的认识，他敢于在袁绍将要大军压境之时抽身去进攻刘备，正是基于这种认识之上。
建安五年二月，袁军颜良等人围攻白马，拉开了大战的序幕。四月，曹操亲自率兵北上解白马之围，他采纳谋士荀攸之计，先进军延津（今河南延津北，在白马以西），做出要渡河袭击袁军的态势，吸引袁军分兵西向，然后突然转向迅速赶往白马。曹操军突然杀到，袁军措手不及，关羽“策马刺良于万众之中，斩其首还，绍诸将莫能当者”，袁军大败，白马之围遂解。曹操救出白马军民，沿黄河西撤。袁绍闻知，立即渡河追赶曹操。曹操见追兵渐近，命军士解鞍放马，并置辎重于道。袁军追兵大至，争抢辎重，阵形混乱。曹操率领仅有的骑兵突然杀出，大破追兵，阵斩袁绍另一大将文丑。颜良、文丑为袁军名将，二将分别被杀，袁军大震。曹操初战得胜，主动撤军，继续扼守官渡。
八月，袁绍大军连营而进，东西数十里，依沙堆为屯，进逼官渡。曹操分兵坚守营垒，伺机而动。袁军向曹营发动猛攻，先是作高橹、起土山，由上向曹营中射箭，接着又挖地道，欲从地下袭击曹营，皆被曹操以相应办法击破。两军一攻一守，相持近二个月。久战之下，曹操处境极为困难。
十月，袁绍从河北运来粮草万余车，派大将淳于琼等带万余人看守，屯于离袁绍大营四十里的乌巢。恰好这时袁绍谋士许攸来投曹操，献计让曹操偷袭乌巢。曹操大喜，亲率精锐步骑五千人，乘夜从小路偷袭乌巢。曹操军至乌巢，命四面放火，袁军大乱，淳于琼拒营死守。袁绍闻知，急忙派兵救授，曹操左右见“‘贼骑稍近，请分兵拒之。’操怒曰：‘贼在背后，乃白！’士卒皆殊死战，遂大破之，斩琼等，尽燔其粮草”。当袁绍听说曹操袭击乌巢时，认为这正是攻破曹操大营的好机会，因此派去的援兵很少，而以重兵围攻曹操大营。但曹营未破，乌巢败讯已经传来，袁军溃散，大将张郃等人投降曹操。袁绍弃军逃回黄河以北。于是曹军大获全胜，斩首七万余级，尽获袁军辎重图书珍宝。曹操清点袁绍书信，得到自己部下写给袁绍的信，尽烧之，说：“当绍之强，孤犹不能自保，而况众人乎！”
从客观条件上说，曹操本处于劣势，但由于他能正确分析客观条件，善于听取别人的正确意见，所以能扬长避短，采用正确的战略战术，使战争向有利于自己的方面转化，经过自己主观上的努力，终于赢得了胜利。
官渡之战，曹操击溃了最大敌人袁绍，由他统一北方已是大势所趋。
建安七年，袁绍病死，袁绍的两个儿子袁谭、袁尚不和，发生火并。袁谭不敌袁尚，向曹操乞降。
建安九年二月，曹操乘袁尚出兵攻打袁谭之机，进军围攻邺城。袁尚率军回救，依滏水（今滏阳河）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（今河北定县）。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。邺城遂被曹操攻破。第二年正月，曹操又以负约为名，攻灭袁谭，冀州平定。于是，曹操让还兖州牧，改任冀州牧。
袁尚兵败后，逃奔幽州刺史袁熙。不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡乌桓。
建安十二年，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。这年五月，曹操亲率大军到达无终（今河北蓟县）。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（今河北玉田北），出卢龙塞（今河北喜峰口附近一带），“堑山堙谷五百余里”，直指乌桓老巢柳城（今辽宁朝阳南）。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。八月，二军相遇，时曹军辎重在后，“被甲者少，”而敌军军势甚盛。曹操登高瞭望，见敌军虽多，但阵势不整，遂命大将张辽为前锋，乘敌阵稍动之机，向敌军发动猛攻。乌桓军大乱，曹军阵斩蹋顿，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，曹操听从谋士郭嘉的意见；说：“吾方使康斩送尚、熙首，不烦兵也。”遂率军还师。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。同年郭嘉就因水土不服，气候恶劣，日夜急行操劳过度；在曹操北归前病逝；而公孙康斩杀袁尚、熙竞在郭嘉之料中。
建安十三年六月，曹操废三公，恢复丞相制度，并自任汉朝丞相。
电影《赤壁》中的曹操（张丰毅饰）
曹操基本平定北方后，兵锋转而南向。建安十三年七月，进军南征荆州刘表。八月，刘表病死，其子刘琮接任荆州牧。九月，曹操大军进至新野（今属河南），刘琮以为无法抵挡，举荆州之众投降曹操。这时，官渡之战后投奔刘表的刘备屯驻于樊城（今湖北襄樊），听说刘琮投降，便率军向江陵（今属湖北）撤退。江陵为荆州重镇，存有大量军用物资。曹操听说，怕江陵落入刘备之手，遂亲率五千骑兵从襄阳（今湖北襄樊）疾驰三百里，在当阳长坂（今湖北当阳东北）将刘备追上，并将其军击溃，随后进占江陵。
由于曹操的进军威胁了吴侯孙权的统治，孙权命大将周瑜率军三万，与刘备联军抵抗曹操。
曹操自江陵东下，至赤壁（今湖北武昌县西赤矶山）与孙、刘联军接战不利，暂驻军于乌林（今湖北洪湖县东北，长江北岸邬林矶），与对方隔江对峙。
周瑜用诈降之计，命大将黄盖率小战船十艘，上装柴草，灌以膏油，假称投降，向北岸而进，至离曹营二里之处时，各船一齐点火，然后借助风势，直向曹军冲去，曹军大败，舟船被烧。曹操率军从华容道（今湖北监利西北）陆路撤回江陵。遂撤军北还。
KOEI《三国志11》老年曹操
赤壁大败后，曹操采取一些措施，稳定内部。建安十五年春，曹操下《求贤令》，说：“今天下尚未定，此特求贤之急时也……二三子其佐我明扬仄陋，唯才是举，吾得而用之。”曹操提出不拘品行、唯才是举的用人方针，目的是尽量把人才收罗到自己身边。
建安十六年，曹操开始对关中用兵。三月，曹操遣司隶校尉钟繇率大将夏侯渊以讨伐汉中（治南郑，今陕西汉中东）张鲁为名进兵关中。关中马超、韩遂、杨秋等十部心生疑惧，一时俱反。曹操立即派大将曹仁进攻关中，马超等人屯据潼关。七月，曹操率大军亲征关中。九月，大破关中诸军，马超、韩遂逃至凉州，杨秋逃至安定（治临泾，今甘肃镇原南）。十月，曹操进军安定，杨秋投降，关中地区基本平定。
建安十八年，曹操起兵号称四十万，亲自南征孙权。次年正月，曹军进至濡须口（今安徽巢县东南），攻破孙权设在江北的营寨，生擒其将公孙阳。孙权亲率军七万，前至濡须口抵御曹军。二军相持月余，各无所获。曹操见孙权军容严整，自己难以取胜，遂撤军北还。五月，复《禹贡》九州。
汉天子册封曹操为魏公，加九锡、建魏国，定国都于邺城。魏国拥有冀州十郡之地，置丞相、太尉、大将军等百官。献帝还准许其“参拜不名、剑履上殿”，如汉丞相萧何故事。
建安二十年三月，曹操见刘备已取得益州，而汉中是益州门户，“若无汉中，则无蜀矣”，刘备必然要攻取汉中。于是曹操抢先一步，率十万大军亲征汉中张鲁。七月，曹操大军进至阳平关（今陕西沔县西北）。张鲁听说阳平关失守、逃往巴中。曹操进军南郑，尽得张鲁府库珍宝。
十一月，张鲁出降曹操，汉中遂为曹操所有。
曹操主力退出汉中后，刘备随后向汉中发动进攻。建安二十三年，刘备亲率大军进至阳平关，夏侯渊等人与刘备夹关对峙。七月，曹操亲率大军赶往关中，坐镇长安，以便随时指挥汉中战局。建安二十四年正月，刘备自阳平关南渡沔水（今汉水），依山而进，驻军于定军山（今陕西沔县东南），夏侯渊出兵与刘备争夺地势，被黄忠杀掉，曹军大败。之后，曹操亲率大军来夺汉中，但是刘备坚壁不出，曹军与刘备军相距数月，无利，遂放弃汉中。
建安二十一年夏四月，汉天子册封曹操为魏王，邑三万户，位在诸侯王上，奏事不称臣，受诏不拜，以天子旒冕、车服、旌旗、礼乐郊祀天地，出入得称警跸，宗庙、祖、腊皆如汉制，国都邺城。王子皆为列侯。他名义上还为汉臣；实际上已是皇帝，开了自汉高祖刘邦定下的“异姓诸侯者不得为王”的先河。
建安二十四年七月，曹操刚刚从汉中撤出，刘备大将关羽就从荆州向他的东南防线襄、樊一带发动了进攻。曹操闻知，立刻派大将于禁率兵往救樊城。八月，关羽乘洪水泛滥之机，大破于禁所统七军，禽于禁，斩庞德乘势进军，将樊城围住。时樊城曹军只有数千人，城被水淹，水面离城楼仅有数尺，曹仁率军死守。曹操又派徐晃领兵去救樊城。十月，曹操从关中赶到洛阳，亲自指挥救援樊城。
孙权因关羽处其上游，很不愿意让关羽势力发展，而且他早已有攻取荆州之心，于是联结曹操，准备以大将吕蒙偷袭荆州要地江陵。曹操接信后，将这一消息通知曹仁，命他继续坚守，自己进至摩陂（今河南郏县东南），临近指挥，又派兵十二营增援徐晃，命他反击关羽。不久，吕蒙偷袭江陵得手。关羽撤兵，路上被孙权军擒杀。
曹操在孙权擒杀关羽、取得荆州后，表孙权为骠骑将军、荆州牧。孙权遣使入贡，向曹操称臣，并劝曹操取代汉朝自称大魏皇帝。曹操将孙权来书遍示内外群臣，说：“是儿欲踞吾著炉火上耶！”曹操手下群臣乘机向曹操劝进。曹操自己还不想废献帝自立，他说：“若天命在吾，吾为周文王矣。”
建安二十五年正月（220），曹操还军洛阳。当月，病逝在洛阳，终年六十六岁。这年十月，魏王曹丕取代汉朝，自立为皇帝，国号大魏，追尊曹操为魏武皇帝，庙号太祖。曹操不但是中国历史上一位杰出的政治家、军事家，还是一位杰出的文学家，著有《孙子略解》、《兵书接要》等军事著作和《蒿里行》、《观沧海》、《薤露行》、《短歌行》、《苦寒行》、《碣石篇》、《龟虽寿》等不朽诗篇。后人并且辑有《曹操集》。
曹操手迹曹操的诗歌，极受乐府影响，现存的诗歌全是乐府歌辞。这些诗歌虽用乐府旧题，却不因袭古人诗意，自辟新蹊﹐不受束缚，却又继承了“感于哀乐，缘事而发”的精神。例如《薤露行》、《蒿里行》原是挽歌，曹操却以之悯时悼乱。《步出夏门行》原是感叹人生无常，须及时行乐的曲调，曹操却以之抒述一统天下的抱负及北征归来所见的壮景。可见曹操富有创新精神的民歌，开启了建安文学的新风，也影响到后来的杜甫、白居易等人。
曹操诗的内容大致有三种：反映汉末动乱的现实、统一天下的理想和顽强的进取精神、以及抒发忧思难忘的消极情绪。
汉末大乱，曹操又南征北讨，接触的社会面非常广大，故多有亲身经验和体会如《蒿里行》谓汉末战乱的惨象，见百姓悲惨之余又见诗人伤时悯乱的感情。故后人谓曹操乐府“汉末实录，真诗史也”。
一代枭雄，纵风光一世，亦有星落殒灭之时。曹操对此也感到无能为力，只有作诗感叹，无可奈何。如《短歌行》中“譬如朝露，去日苦多”的感伤，《秋胡行》之低沉情绪，《陌上桑》等游仙作品中都可见他的消极情绪。
曹操的诗歌形式是十分创新的。他尤擅写五言体和四言体。《蒿里行》原是杂言，曹操却以五言重写，非常成功。四言诗方面，本自《诗经