十月，曹操军马到黎阳，袁尚听到了曹军渡河的消息非常害怕，就解除了对平原的包围，撤回邺城。袁尚的部将吕旷、吕翔投降了曹操。
建安九年（公元204年）二月，袁尚又派出大军到平原攻打袁谭，部将审配、苏由留下来守卫邺城。曹操抓住此时机，迅速出击，直击邺城。守将苏由出城投降了曹操。邺城被曹操团团包围，并且在这里筑土山、挖地道，向邺城发动了进攻，由于邺城城墙坚固，未能攻克。五月，曹操在城的四周挖了一条深二丈、宽二丈、长达四十里的壕沟，引漳水灌入沟中，完全阻断了邺城与外界的联系。城中粮食已尽，许多人因饥饿而死。七月，袁尚得知大事不好，忙率主力一万余人回救邺城，被曹操拦击，袁尚溃败而逃，投奔幽州的袁熙去了。
袁尚被击败之后，邺城的守军斗志全无，只剩下审配顽固抵抗，大喊着给士兵鼓气，但人们已完全不信任他了。
审配的侄子审荣任邺城东门校尉，八月初二，审荣乘着夜色朦胧打开了城门，把曹军放入城中。审配被曹军生擒。这时邺城监狱中关押着辛评的家眷，辛毗赶去解救，但他们早被审配杀死。审配被曹军士兵押到曹操大帐中，辛毗非常愤怒，用马鞭猛抽审配的脑袋，大骂道：“你今天非死不可！”审配依然很蛮横，瞪着眼睛恶狠狠地说：“狗东西，正是由于你们这些人，才让曹操攻下冀州，我恨不得立刻杀死你，你敢把我怎样！”不一会儿，曹操走进大帐，看了看满不在乎的审配，开口说道：“我那天巡视围城的部队，怎么看到你有那么多的弓弩手呢？”审配说：“我还恨太少呢，没把你射死！”曹操想缓和气氛，给审配一条活路，就说：“你为袁氏尽力，也是迫不得已！”哪知审配一点不领情，始终不说一句求饶的话，曹操无可奈何，只好将他杀死。
在曹操围攻邺城时，原来已经归降曹操的袁谭又背叛曹操，攻取了河北大部分地区。曹操给袁谭写信，责怪他违约，同他断绝了婚姻关系。原来，在袁谭向曹操求援时，曹操与袁谭结为亲家，允袁谭之女嫁给儿子曹整。袁潭背叛后，曹操在把袁谭的女儿送回去的同时，出兵讨伐袁谭。
建安十年（公元205年）正月，曹操进攻南皮，袁谭迎战曹操，曹军伤亡惨重。曹操想先暂时不进攻，议郎曹纯劝道：“现在我孤军深入，难以坚持太久，如果不一鼓作气将敌人击败，一后退就会军威丧失。”曹操听从了曹纯的劝告，亲自冲锋在前并且擂动战鼓，指挥将士猛攻敌军，终于将南皮攻陷。袁谭仓惶出逃，被追上来的曹军杀死。
之后，曹操又率领大军北上，攻打幽州的袁熙。袁熙因部下焦触、张南叛变，出战失利，与袁尚一起投奔辽西郡的乌桓。焦触自称幽州刺史，逼迫各郡县长官背叛袁氏，归顺曹操，焦触等被封为列侯。曹操在占领幽州之后，又发动了对并州的进攻。
在邺城被曹操攻下后，并州刺史高干为了免遭攻打，曾表示愿意归顺曹操。袁尚、袁熙逃往乌桓后，乌桓出兵进攻犷平（今北京密云东北），曹操亲自率军援救，犷平安然无恙，乌桓退至塞外。高干听说曹操与乌桓交战，又背叛了曹操，企图乘曹操北上之机，偷袭邺城。曹操派遣部将乐进、李典截击高干。高干据守壶关（今山西长治东南）。建安十一年（公元206年）正月，曹操率领大军亲自征讨高干，包围壶关。三月，攻下壶关，高干逃往平阳（今山西临汾南），求救于南匈奴，遭匈奴单于拒绝。高干无奈，只好又南奔荆州投靠刘表，途中被上洛都尉王琰抓住斩首，并州全部平定。
曹操经过五年的征战，终于全部占领了冀、青、幽、并四州，结束了北方常年战乱、民不聊生的局面，为恢复和发展社会经济创造了重要条件。
曹操并没有因此而满足，他想彻底消灭袁氏残余势力，统一北方，于是，他决定北征乌桓。
乌桓又称“乌丸”，自东汉初以来便定居于今辽宁西部和河北东北部的辽东、辽西、右北平三郡，与汉民相处得很融洽。东汉朝廷曾封其首领为王，并置护乌丸校尉加以统治。
东汉中期，辽西、辽东、右北平的乌桓结合起来，称为“三郡乌桓”。东汉末年，乌桓渐渐强盛起来，乘东汉衰败的机会，多次南下侵扰，杀掠官吏和百姓，并且向南劫掠青、冀、徐、幽四个州。建安初年，袁绍在河北谋求发展，与号令三郡乌桓的乌桓王蹋顿结盟，联合起来攻灭了占有幽州的公孙瓒，并假借汉朝廷的名义，任命蹋顿为乌桓单于，后来又顺从乌桓各部首领的请求，以楼班为单于，封蹋顿为王。
自秦汉以来，匈奴一直在侵扰边境。汉武帝虽然平定了四方少数民族的叛乱，例如东面平定南越、东越、朝鲜，西部征讨大宛、贰师，并且打通邛、及夜郎的通道。但这些地区远离王畿，对中原不会构成重大威胁，而匈奴离王畿最近，骑兵只要向南侵犯，中原便会三面受敌。因此，汉朝多次派遣卫青、霍去病等率领大军北伐，追赶单于，占领其富饶平广的土地。从那以后，匈奴开始退而保卫自己的家园，自称藩国，渐渐衰弱下来。建安年间（公元196～220年），呼厨泉南单于入朝被留下作为内侍，右贤王统率匈奴，这时臣服的匈奴比西汉时更为驯服。但是乌丸、鲜卑逐渐又强大起来。这是因为汉代末年，国内一片混乱，没有时间讨伐外来侵略者，因此，他们竟然侵略并且占领了漠南地区，攻占城市，烧杀百姓，北边各郡同时受到侵扰。至袁绍控制河北，安抚三郡乌丸，名义上很尊重他们，其实是收并了他们的精锐骑兵。后来，袁熙、袁尚又逃奔蹋顿。蹋顿非常崇尚武力，凭着自己距离朝廷很远，所以敢收留袁尚、袁熙，并在少数民族之中称霸争雄。曹操率众北伐平定了辽乱，各个少数民族无不震动。于是曹操又率领乌丸的兵马安抚各地，此后边地居民得以安居乐业。
东汉末年，辽西乌丸首领丘力居统治五千多户，上谷乌丸首领难楼统管九千余户。另外，辽东属国乌丸首领苏仆延统领千余户，自称为峭王。右北平乌丸首领乌延统治八百多户，自称汗鲁王。他们四位首领都智勇双全。中山太守张纯叛逃到丘力居部落中，自封号弥天安定王，为三郡乌丸元帅，侵略青州、徐州、幽州、冀州，烧杀抢掠，无恶不作。汉灵帝末年，派遣刘虞任幽州首领。刘虞悬赏将张纯杀死，北方才得以平定。后来，丘力居死，因为他的儿子楼班幼小，从子蹋顿武艺超群，于是继承王位，统领三个乌丸部落，部下都服从他的指挥。袁绍和公孙瓒交战数次，但久久不能分出胜负。蹋顿便派使者到袁绍处，与袁结交，帮助袁绍攻打公孙瓒，果然大胜。袁绍假借君命，发布诏书，赐给蹋顿、峭王、汗鲁王印绶，封他们为单于。
后来楼班长大成人，峭王以及他的部下都推举楼班为单于，蹋顿为大王。从小在乌丸、鲜卑部落中长大的广陵人阎柔，颇得当地人的尊重和信任。阎柔借助鲜卑的力量，杀死乌丸校尉邢举，取代他的位置。后袁绍安抚阎柔，北部边境得以太平无事。
袁绍死后，曹操攻打袁尚，三郡乌桓继续支持袁氏，并乘战乱之机掠走了十万多户汉朝百姓。建安十年（公元205年），曹操占领邺城后，袁尚、袁熙率残兵躲进乌桓，企图凭借乌桓的势力同曹操抗衡。乌桓蹋顿屡次进入边塞骚扰，想帮助袁氏东山再起。曹操为了消灭袁氏集团的残余势力，决定平定乌桓。
然而，征讨乌桓很困难。建安十二年（公元207年）二月，曹操专门召集文武官员商讨此事，许多人都很担心，大家皆认为：“袁尚只不过是个亡虏，乌桓人贪婪不讲信义，怎么会让袁尚利用？假如我们深入乌桓腹地，荆州的刘备必然劝说刘表偷袭许都，万一发生变故，后悔晚矣。”郭嘉提出异议，他说：“曹公虽然威震天下，乌桓仗着离我们遥远，必然不设防。我们乘它无备来个突然袭击，一定可以打败它。况且袁绍在河北颇有影响，袁尚等人尚在，如果我们放弃乌桓而南征，袁尚就会趁机凭借乌桓的帮助东山再起，蹋顿也会产生觊觎中原的贪婪之心。那时青州、冀州还会有丢掉的危险。而刘表不过是个心无大志的清谈客，他自知才能不比刘备，对刘备存有戒心，怕重用了他不能控制，而刘备也不会真心实意帮他。因此，即使我们远伐乌桓，您也无需担忧。”曹操采纳了郭嘉的意见，决定出兵。
曹操要想征伐乌桓，必须解决军粮运输问题。他发动人力开凿了平虏渠和泉州渠。平虏渠沟通呼沲和水，即今河北青县至天津静海独流之间的南运河；泉州渠也就是今天津海河至天津宝坻境内与渤海相通的潮白河。开凿了这两条河，既便利了军粮运输，又利于农业生产，对河北、天津社会经济的稳定与发展起到了重要的推动作用。
五月，曹操率大军停驻易县（今河北雄县西北）。郭嘉对曹操说：“用兵贵在神速，现在袭击千里之外的乌桓，我军辎重多，难以迅速前进，而且敌人探听到我们出兵的消息，必然有所防备，不如卸下辎重，派轻兵昼夜兼程，出其不意，以奇制胜。”曹操同意郭嘉的建议，很快到达无终（今天津蓟县）。在无终，曹操又得到了名士田畴的大力帮助。
田畴，字子泰，文武双全。董卓之乱时，他因不满朝政，弃官不做，带领家人进入徐无山（今河北玉田北）避乱。数年之中，归附他的百姓有五千余家，成为一方名士，很有威望。袁氏父子曾多次请他出山，授予他将军称号，都遭拒绝。田畴痛恨乌桓对内地的侵扰，想讨伐乌桓，但力量不足。曹操未到无终，就开始派人请田畴。好友邢对田畴说：“自黄巾起事以来，四海皆乱，战事不断，百姓颠沛流离。听说曹公法令严明，百姓早已疲于战乱，盼望安定。”田畴很赞赏邢，因此接到曹操的邀请后就欣然前往。他的门客说：“以前袁绍曾五次礼聘，你都拒绝了，现在曹操的使者一到，您急忙前往，这是为何？”田畴笑着说：“你是不会明白的。”田畴随使者来到曹营，被任命为县令，随军一同驻扎在无终。
曹操打算沿海边进军乌桓。但这年夏天无终地区连连下雨，靠近海边处地势低洼，道路泥泞，行军艰难，乌桓又把守险要小路，曹军欲进不能。这很令曹操头痛，便问田畴如何是好。田畴说：“这条路每到秋夏之际经常有洪水，浅处走不了马车，深处又无法行舟船，很久以前就是这样。旧北平郡的治所在平冈县，以前可以从这里经过卢龙塞（今河北喜峰口）到达柳城（今辽宁朝阳南），但自建武年间这条路已经坍塌，断绝近二百年，不过还有小路可以通行。乌桓以为我们现在会从无终进军，无法前进就会后退，因此放松警惕。我们应该趁此机会马上改变方向，出卢龙塞过白檀（今河北滦平北）险要地段，进入他们没有防卫之地，路近而行动方便。乘敌人不备发起袭击，可以不战而活捉蹋顿。”曹操一听大喜，连声说：“果然是条妙计！”于是返回无终，并在路旁立上木牌，上写：“当今暑夏，道路不通，且待秋冬，再行进军。”用以迷惑敌人。乌桓的探子见到后，回去报告，蹋顿认为曹军已率兵撤退，放松了警惕。
曹操命令田畴率领他的部众做向导，翻越了徐无山，穿过了卢龙塞，开山填谷，修筑道路五百余里，经过白檀、平冈（今河北平泉），直插乌桓的大本营柳城。八月，当曹军到达白狼堆，距柳城只有二百里时，乌桓才惊晓此事。
蹋顿连忙召集袁尚、袁熙，及辽西单于楼班、右北平单于能臣抵抗，又各自亲率精兵数百骑迎战曹军。八月，曹操在白狼山与乌桓的骑兵相遇，乌桓军队军力强盛，来势凶猛。当时，曹军车马辎重都在其后，身披铠甲的将士很少，众人都很恐惧。曹操却不惊慌，他发现敌军虽多，却阵容不整，遂让大将张辽率军迎敌。经过一场激战，乌桓军队一溃千里。曹军紧追不舍，蹋顿及各部首领都被歼灭，胡、汉两族投降的兵民有二十多万人。
袁尚、袁熙及辽东单于速仆丸率领残兵剩部投奔了辽东太守公孙康。有人建议曹操出兵，将他们全部铲除。曹操却胸有成竹地说：“让公孙康杀袁尚、袁熙，就不用麻烦咱们的士兵了。”九月，曹操率大军向南撤退，正如曹操所言，公孙康并不想收留袁氏兄弟，而是想杀掉他们为朝廷立功。于是他在马厩中埋伏士兵，然后把袁尚、袁熙请进来，还未等他们坐稳，公孙康一使眼色，伏兵立即上前将袁尚、袁熙抓住，当场将两人杀死，速仆丸也一同被杀，他们的人头被公孙康送交给曹操。有的将领问曹操：“您既已退军，为什么公孙康还将袁尚、袁熙斩首？”曹操说：“公孙康一向畏惧袁氏，如果我急于攻打袁尚、袁熙，形势所逼之下，他们就会联合起来抵抗，反之，他们必然会自相残杀。”
曹操从柳城回师时，正值天寒大旱，方圆百里内没有水源，军队又缺乏粮食，只好杀马充饥，凿地近三十余丈才找到了水源，行军很是艰苦。军队返回后，曹操命人查找当初都有谁劝阻他出兵征讨乌桓，人们都很害怕，不知道其中的缘故。等找到那些人后，曹操却重赏了他们，说：“我这次征讨乌桓，实在危险，侥幸取胜，这得感谢上苍的保佑，以后不能经常这样冒险。你们当初提出的才是万全之策，因此要奖赏你们，还要请你们以后多提好的意见。”
平定三郡乌桓之后，曹操把曾经被乌桓掠去和逃亡到辽东地区的十多万百姓接回中原，并且挑选乌桓的骑兵编入自己的军队，增强了战斗力。
后来，鲜卑头领轲比能又将各少数民族部落控制住，占领匈奴的地盘，他们屡次侵犯边地，幽州和并州百姓深受其苦。魏文帝初年，田豫为护乌丸校尉，在马城被鲜卑轲比能部包围。魏明帝时，并州刺史毕轨出军攻打轲比能时也遭到失败。青龙年间，王雄上奏皇帝的意见被采纳，派遣剑客刺杀轲比能。之后鲜卑部落成为一盘散沙，相互攻击。势力强些的便逃离得远远的，势力弱的只有向朝廷降服。至此，边境稍微安稳下来。虽然还时常发生抢劫的事，但已不能够发展成叛乱的事情。
曹操先占领了河北之后，又将乌桓打败，完成了统一北方的大业，结束了中原地区连年征战的混乱局面，对中国当时的社会经济的恢复和发展起到了积极作用。
