中平六年正月，太祖知賊挫于陳倉，月余不能下，糧盡思退，遂整軍至陳倉東立營。時呂范急信至，言幽州烏桓、鮮卑作亂，隔斷遼東，張舉占管子城僭稱天子，太祖默不外傳。自與嵩、卓約賊首韓遂、馬騰、王國等相會，定以明日交戰。臨別贈信于遂，行反間之計。初十，以徐榮統全軍騎兵，呂布領白馬義從為鋒，一陣而破賊，斬首逾萬。又先遣韓當率兩千騎斷敵之后，驅賊至渭河。賊蜂擁履冰渡河，冰破，陷死者數千。余眾乃降，可三萬余。僥幸走脫者不足萬數。太祖以賊性惡而畏威，乃行十一抽殺之懲。錘殺賊首王國、李相如、成公英等。韓遂等隔河望見，肝膽欲裂，終生不敢復東。事畢，太祖即委全軍于嵩，攜白馬義從疾返幽州。臨行，問將來于詡，詡曰：“君侯若遲至，可自冀州轉河內；若早，何妨行于并州。”太祖然之。
關中既安，朝廷以功賜太祖節杖，使統幽州塞內諸郡及中山、常山郡武事。二月，太祖至范***知敵情，乃大發幽州五郡精騎，自率義從至盧龍塞。丙辰，靈帝崩。
三月，太祖以高順領本部三千為前鋒，魏越副之，自將七千騎為中軍出塞。一戰而下管子城，俘張舉，斬首傳示幽州。聞柳城空虛，乃留順守城，自引軍渡大凌河，欲急取之。行未半，忽有段部鮮卑遣使來報，告烏桓單于丘力居引兵兩萬伏于小凌河東，正星夜而來。時眾篝火啜熱湯于野，咸失色驚立，湯流滿地，唯太祖不動容，徐徐啜引，復舉碗曰：“此碗可扣賊！”眾迺安。太祖以敵眾我寡，乃回渡大凌河，欲與順合軍。賊急追之，戰于河畔，稍不利。趙云時為曲長，見事急，率本部十八騎并力沖陣，凡七進七出，斬將搴旗，當者披靡。俟汾黑獺助之，遂潰敵陣。魏越、韓當、婁圭等，亦相繼來救。丘力居料不能勝，退返柳城。適大雨，太祖料賊必不備，率一萬五千騎綴其后，夜襲柳城，拔之，俘斬丘力居。趙皇后父苞時為遼東太守，亦發兵擊破遼東烏桓，追斬敵酋蘇仆延。烏桓遂平。朝議謚靈帝曰“靈”，改元光熹。
四月，丘力居子樓班引鮮卑軻比能一萬騎往攻柳城，太祖大破之，斬樓班。烏桓王裔斷絕，遂遷其各部，建遼西三衛，編戶齊民，各施賞罰。烏桓自是歸心，為太祖前驅凡數十年。
太子辯即位，太后臨朝。大將軍何進與袁紹謀誅宦官，太后不聽。進乃召邊軍三路，募兵五路，又欲以太祖為后援，鎮壓局面，以脅太后。書至遼西，太祖見而笑之曰：“閹豎之官，古今宜有，但世主不當假之權寵，使至于此。既治其罪，當誅元惡，一獄吏足矣，何必紛紛召外將乎？欲盡誅之，事必宣露，恐吾未至而見其敗也。”未幾，十常侍果刺進于南宮嘉德殿，洛中大亂，各相攻殺，事在《后漢書》。唯公孫越引兵護進家眷至河內，保其苗裔。
太祖自塞外返，至沮陽，大宴幽州諸功臣、兩千石，兼會州牧劉虞。虞自慮柔弱，遂委州政于太祖。
七月，太祖聞董卓暴虐，擅行廢立，鴆殺太后，乃于常山會盟，誓言討之。河北諸郡守多至，公推太祖為盟主。田豐聞之往投，獻策自并州取洛陽關中，太祖喜，拜為右軍師中郎將。遂以呂范留守，程普佐之，自將兵兩萬討卓。時袁紹亦于酸棗會盟討卓，中原諸侯多從之。陶謙于徐州會盟，淮揚諸侯多從之。卓聞之恐，有遷都關中之念。