相持
袁軍初戰失利，但兵力、糧草、軍貨、財力仍然占據明顯的優勢。
后來，曹操回到官渡，沮授向袁紹說：“河北兵雖然人多勢眾但勇猛不如河南兵，河南的糧草、軍貨、財力都不如河北；河南利于速戰速決，河北利于緩慢戰斗。所以，我們營讓兩軍緩慢相持，拖長戰事。”沮授建議以持久緩進的戰術來消耗曹軍，但袁紹又不聽從。
七月，進軍陽武（今河南中牟北），準備南下進攻許都。八月，袁軍主力接近官渡，依沙堆立營，東西寬約數十里，曹操也立營與袁軍對峙，曹軍“合戰不利”。九月，曹軍再度出擊，與袁軍交戰不利，再次退回營壘，堅守。
袁紹構筑樓櫓，堆土如山，用箭俯射曹營。曹軍制作了一種拋石裝置叫作霹靂車，發石擊毀了袁軍所筑的樓櫓。袁軍又掘地道進攻，曹軍也在營內掘長塹相抵抗，粉碎了袁軍的計策。雙方相持三個月，曹操處境困難，前方兵少糧缺，士卒疲乏，后方也不穩固，曹操幾乎失去堅守的信心，一日見運糧士兵疲于奔命，于心不忍，不禁脫口而出，“卻十五日為汝破紹，不復勞汝矣！”曹操寫信給荀彧，商議要退守許都，荀彧回信說：“袁紹將主力集結于官渡，想要與公決勝負。公以至弱當至強，若不能制，必為所乘，這是決定天下大勢的關鍵所在。當年楚、漢在滎陽、成皋之間，劉邦、項羽沒有人肯先退一步，以為先退則勢屈。現在公以一當十，扼守要沖而使袁紹不能前進，已經半年了。情勢已然明朗，絕無回旋的余地，不久就會發生重大的轉變。這正是出奇制勝的時機，千萬不可坐失。”于是曹操決心繼續堅守待機，同時加強防守，命負責后勤補給的典農中郎將任峻采取十路縱隊為一部，縮短運輸隊的前后距離，并用復陣（兩列陣），加強護衛，防止袁軍襲擊；另一方面積極尋求和捕捉戰機，擊敗袁軍，不久派徐晃、史渙截擊、燒毀袁軍數千輛糧車，增加了袁軍的補給困難。
官渡之戰
期間，汝南郡黃巾軍劉辟叛變，袁紹使劉備前往相助，又派韓荀鈔斷曹軍西道，皆被曹仁擊破。江東孫策意欲偷襲許都，卻被刺客暗殺。
奇襲
十月，曹操在與袁紹相持日久，百姓疲乏，多叛應袁紹，曹軍缺乏糧食。袁紹又派車運糧，并令淳于瓊率兵萬人護送。沮授建議“另外派遣蔣奇率領支援軍隊行進在運糧軍隊的外表，以斷絕曹軍的抄掠”，但袁紹又不從。
淳于瓊率領著沒有外表援軍的運糧軍隊夜宿于烏巢（今河南延津東南），距離袁軍大營僅剩四十里的路程。恰在這時，袁紹謀士許攸投奔曹操，建議曹操輕兵奇襲烏巢，燒其輜重。曹操立即付諸實行，留曹洪、荀攸守營壘，親自率領步騎五千，冒用袁軍旗號，人銜枚馬縛口，各帶柴草一束，利用暗夜走小路偷襲烏巢。到達后立即圍攻放火。袁紹獲知曹操襲擊烏巢后，一方面派輕騎救援，另一方面命令寧國中郎將張郃、大將高覽率重兵猛攻曹軍大營。可曹營堅固，攻打不下。當曹軍急攻烏巢淳于瓊營時，袁紹增援的部隊已經迫近。曹操勵士死戰，大破袁軍，曹軍驍將樂進斬殺淳于瓊等，并將其糧草全數燒毀。張郃、高覽聞得烏巢被破，于是投降曹操，導致了軍心動搖，內部分裂，大軍崩潰。袁紹倉惶帶八百騎兵退回河北，曹軍先后殲滅和坑殺袁軍七萬余人，也有說是八萬人。
官渡之戰增強了曹操的實力，為曹操擊潰袁紹，統一北方奠定了堅實的基礎。北方僅有曹操和袁紹勢力較大，此戰擊潰了袁紹，北方就無人能和曹操抗衡。
官渡之戰后，曹軍活捉了沮授。沮授一直深得曹操賞識，起初曹操赦免沮授并且厚待他，但最后沮授因想要回到袁紹陣營而被曹操殺害。