曹操集团的强大，与他重视发展农业、解决粮食问题紧密相关。当时军阀战乱不止，又加上连年灾荒，社会经济凋敝。农民因战乱逃亡，不能从事生产，饥饿贫困到了极点，军阀筹措军粮无门，因而解决粮食问题成了成败关键。曹操认为：“定国之术，在于强兵足食，秦人以急农兼天下，（汉）孝武（帝）以屯田定西域，此先代之良式也。”他采纳枣艚ㄒ椋于汉献帝建安元年（196年）正式实行屯田。利用收降的青州黄巾军近百万劳动力和起义军的农具、耕牛，招诱各地流亡，在许下（今许昌附近）屯田垦种。当年便获得收成，得谷百万斛。随后，在州郡设置田官，到各地推行屯田制度。屯田制度推行后，为了加强对屯田农民的管理，曹操自下而上建立了一套从地方到中央的屯田组织系统。数年中，所在积粟，仓廪皆满。不但军粮得以解决，“征伐四方，无运粮之劳”，而且使社会经济逐步得到恢复。这些为曹操统一北方，准备了物质基础。
随着军事力量的强大和物质基础的厚实，曹操励精图治，矢志统一。当汉献帝落难辗转穷途末路之时，曹操以大礼将他迎奉，建都许昌。他“挟天子以令诸侯”，位极人臣。公元219年，孙权来书劝曹操称帝，意在让曹操激怒天下，破坏他进一步统一全国的部署。曹操一眼洞穿阴谋，笑道：“是儿欲踞吾著炉火上邪！”曹操对于统一大业，充满信心，他在《龟虽寿》一诗中写道：“老骥伏枥，志在千里，烈士暮年，壮心不已。”
曹操博览群典，尤其喜爱钻研兵书，注意总结古人战争经验。他认真研读《孙子兵法》，结合实战体验，继承和发展了孙武的朴素辩证法思想。他认为：“兵无常势，水无常形，临敌变化，不可先传。”反对刻板地运用兵法，主张充分掌握敌情，临机应变，以求克敌制胜。官渡之战，曹操创造了以少胜多，以弱胜强的典范战例。
官渡之战发生于建安五年（200年）。此时袁绍位居冀州牧，占有冀州，又经兼并战争，灭了割据幽州的公孙瓒，占有幽、冀、青、并四州（今河北、山西、山东东部），大体上统一了河北。而曹操已占据兖州和豫州（今河南、山东西部），基本上统一了河南，且控制了汉献帝。
二月，袁绍任沮授为监军，统领十万大军从邺城（今河南安阳市北）出发，进攻许昌。袁绍亲率十万冀州精兵到黄河北岸的黎阳（今河南浚县东北），建立指挥机关。他派大将郭图及颜良进攻与黎阳隔岸相对的白马（今河南滑县东）。袁绍企图诱曹操离开官渡（今河南中牟县东北），然后一举消灭曹军。四月，曹操从官渡出兵去解白马之危。随军谋士荀Ｏ准疲要他声东击西，分散袁绍兵力。可率兵先抵延津（今河南延津市北），伪装欲渡河进攻袁绍后方，然后，趁其不备派轻兵突袭白马的袁军。曹操依荀Ｖ计而行。袁绍果然中计，待曹操轻兵到达离白马十多里之地，才被颜良发现仓促应战。曹军前锋关羽出其不意突入袁军阵中，斩杀颜良，袁军群龙无首，顷刻溃败。白马解围后，曹操将军队及百姓沿河向官渡撤退。袁绍派骑将文丑和刘备引五六千骑兵渡河追赶，一直追至延津以南。曹操又采用荀＜撇撸伪装丢弃大批粮草辎重后退。袁军中计，争先恐后抢夺物品，队伍大乱。曹操趁其混乱，以不满六百骑兵猛然出击，杀死文丑，获取大胜，顺利撤回官渡，形成袁、曹两军对峙官渡的局面。
同年七月，袁绍进军官渡北面的阳武（今河南原阳县东南），八月进逼官渡。袁军依河丘屯营，东西长数十里，曹操也立营相拒。打了几仗，曹军不利，便坚壁不出。袁军筑起高楼台，堆起土山，居高临下，向曹营射箭。曹兵出入行动得用盾牌遮身。曹操令部下造一种能发射石块的霹雳车，击破袁军一个个楼台。袁军又生一计，派人暗中挖地道通向曹营。曹操针锋相对，令人在营外挖掘深沟蓄满水，袁军地道一通水便灌入地道，袁绍计谋又遭破坏。如此双方相持数月。其间，曹操曾派徐晃、史涣截击焚烧袁绍数千车军粮，使袁绍受重创。但是，相持日久，曹军兵少粮缺，士卒及辖区百姓疲惫，有些郡县动摇，出现投降袁绍的苗头，后方很不安定。为此，曹操写信给留守许昌的谋士荀＃欲弃官渡，退守许昌。荀Ａ⒓椿匦欧治龅笔毙问疲指出，先撤退者将处被动，战局正处关键时刻，很快就会出现转机，到时候可出奇制胜，劝曹操千万莫失良机。曹操接受建议，继续坚守官渡，等待战机。
转机终于到来。同年十月，袁绍派淳于琼率一万多将士押运军粮，驻于大营以北四十里的故市、乌巢（约在今河南延津境内）。鉴于上次军粮被偷袭的教训，袁绍大将沮授建议派蒋奇率兵驻扎，以防抄袭，袁绍未从其议。此时，袁绍谋士许攸也向袁绍建议，趁曹军主力坚守官渡，后方空虚之机，派轻兵偷袭许昌，又不为袁绍采纳。许攸感到袁绍如此骄傲轻敌，最终定将为曹操击败。正在此时，留守邺城（今河北磁县东南）的审配，以许攸家人犯法为由，拘捕其妻。气恨交加的许攸背弃袁绍，投奔曹操而来。曹操以上宾之礼厚待许攸，许攸将袁绍军情告于曹操，建议他偷袭故市、乌巢，烧毁袁绍军粮，袁绍军队必然不战自乱。曹操听后尤为高兴，认为正是出奇制胜的良机。他当即留大将曹洪守营，谨防袁军偷袭，自己率五千轻骑，打上袁军旗号，悄然离开官渡，向乌巢进发。战马口衔横枚，军士每人负一捆干柴。黎明前曹军赶到乌巢，立即包围袁军，并放火焚烧军粮。此时淳于琼睡得正香，袁军还来不及穿衣，曹军便冲了进来，霎时间，粮囤到处起火，浓烟滚滚。淳于琼被曹操大将乐进一刀毙命，战斗一会儿便告结束。乌巢方向火光冲天，不远处的袁营看得真切。袁绍闻讯，以为曹营必然空虚，便派张⒏呃缆示前去官渡劫营，而只派少数军队去乌巢救援。结果，张扔霾芎槭鼐的顽强抵抗，攻营不下，而去救援乌巢的军队则全军覆没。曹操乘胜从乌巢回师官渡，张贡呈艿校抵挡不住，认为大势已去，便和高览一道投降曹操。曹操乘胜出击，大败袁军。袁绍与其子袁谭仅带八百骑兵逃回河北。曹操继续向袁绍占领的地区进军。
官渡战后两年，袁绍郁愤病亡。公元205年，曹操彻底消灭了袁绍的残余势力，完全占有了冀、青、幽、并四州，统一了北方，为以后形成三国鼎立的局面奠定了基础。