在淳于瓊被消滅的同時，張、高覽二位也沒能得手。袁紹這才清醒過來，沒有聽張的建議全力增援烏巢是多麼失策。
即使曹軍的一部分主力離開大營，也一定會留下足夠的人馬防守，並且會做好充分準備，曹軍大營已連攻數月而不下，現在想幾個時辰就攻破談何容易。
郭圖竭力勸袁紹發起正面進攻，眼見自己判斷錯誤，於是開始亂找理由給自己開脫，他向袁紹報告說：「進攻曹營失利，張反而很高興（快軍敗）。」
郭圖的潛台詞是張對自己判斷正確而沾沾自喜。明智的領導一定會從失敗中總結教訓，勇於承認錯誤，不會掩飾決策失誤而會想辦法進行彌補。可惜，袁紹不是那樣的好領導，他就愛吃郭圖這一套。
郭圖跟張素來有矛盾，郭圖這個人看來有些本事，當初是他憑藉三寸不爛之舌忽悠得韓馥讓了位，給袁紹立了大功。但他本質上是一名策士，在袁紹集團內部既不屬於田豐、沮授那樣的本土實力派，也不是顏良、張這樣帶兵出身的將領。他要往上爬，必須有一些特別手段。
郭圖的特別手段就是踩著別人的肩膀往上走，他攻擊沮授，混上了帶兵權，又攻擊許攸，趕跑了袁紹身邊自己最強勁的對手，現在又攻擊張，他不考慮現在是什麼時候，會不會把張逼反。
張又恨又怕（忿懼），跟高覽一商量，乾脆臨陣起義得了，於是焚燒攻城器具，來到曹營前投降。
這時候曹操還沒回來，守營的曹洪不敢相信（不敢受）。荀攸說：「張的計策不被採納，生氣來投奔，不用懷疑！」這也許是史家之言，張的計策是什麼，袁紹有沒有採納，以及張為什麼生氣這些情況，當時荀攸是無法掌握的。荀攸判斷張是真降還是假降，根據的是張下令把攻城的器具都給燒了。
曹洪、荀攸於是接受張、高覽投降。這一下，袁軍徹底撐不住了。
張、高覽都是袁軍中的名將，後來民間把他倆連同已故的顏良、文丑二人合稱為「河北四庭柱」，意思是「袁統區」的四根柱子，可見分量不一般。
曹操回到大營，見到張特別高興，把張比做殷商時的微子、楚漢時的韓信，任命他為副軍長（偏將軍），封都亭侯。
袁紹手下原來還有一位更有名的大將，就是在界橋之戰中大敗公孫瓚「白馬義從」的義，但他沒有出現在官渡之戰中。據說義立下大功後有點功高震主，不服袁紹的領導，被袁紹借故處死了。
袁紹的四根柱子，兩根倒了，兩根到了敵人那裡，袁紹的基業徹底跨了。
其實袁紹的力量仍然十分強大，即使官渡前線失敗，他依然擁有跟曹操抗衡的實力，他的三個兒子和一個外甥手裡都握有重兵，只要安全撤回冀州，仍舊可以發起有效反擊。
可是，這一切來得太突然了。
對於袁軍將士而言，這一天簡直是惡夢連連，先是傳說屯糧基地遭劫，糧食被燒光，老將淳于瓊等人被殺，後來看到一些手捂鼻子從烏巢跑回來的士兵，一個個慘不忍睹，大家都驚駭不已。
緊接著，聽說張和高覽二位將軍率領所部集體投降了曹軍，大家根本不敢相信，但看到剛剛投降過去如今殺了回馬槍的弟兄們時大家都明白了：趕緊跑吧，跑慢了也沒有鼻子了！
袁軍不再抵抗，開始慌不擇路地大逃亡。袁紹和兒子袁譚來不及穿戴整齊，倉惶出逃，帶了八百名騎兵一口氣跑到黃河邊才甩掉了曹軍的追兵，渡過河去。
沒有跑掉的就做了俘虜，事後統計，曹軍光俘虜就抓了好幾萬。
郭圖打仗不行，跑路比較有眼色，此時緊跟領導不掉隊，僥倖保住了一命。而沮授就沒那麼幸運了，做了曹軍的俘虜。
據《獻帝傳》記載，沮授以前跟曹操相識，他被人綁了來見曹操，沮授一路大叫：「我不投降，我是被抓的！」見到曹操，曹操想招降他，說：「袁本初無謀，不聽先生你的計謀，所以失敗。如今國家未定，希望咱們一塊來謀劃。」沮授說：「我的叔父、母親和兄弟都在冀州，如果你念及舊情，就從速把我處死。」
這是沮授的悲哀，生未逢明主，身處絕境時也只有選擇死，所以他在路上要大呼大叫，為的是別讓大家誤以為他投降了，袁紹要知道他投降，他的親人們必然遭難。
但曹操很欣賞他，還是不想殺他。在曹操眼裡，沮授是荀、賈詡那樣的人才，能力和人品都是一流，他嘆息道：「如果早些得到你，天下何足為慮呀！」曹操厚待沮授，但沮授只想一死，他公開逃跑，曹操無奈只好把他殺了。
曹軍究竟俘虜了袁軍多少人，《三國志武帝紀》、《袁紹傳》等都沒有明確記載，《獻帝起居注》里有曹操事後向獻帝上的一份奏疏，詳細報告了官渡之戰的戰果。這份奏疏還回顧了以往的一些歷史，透露出許多有趣的信息：
「大將軍鄴侯袁紹之前與冀州牧韓馥謀立故大司馬劉虞，刻制了金璽，派遣原任縣縣長畢瑜到劉虞那裡勸進。後來，袁紹又給我寫信，說『可以把都城遷到鄄城，然後考慮另立他人（當有所立）』。袁紹擅自鑄造金銀印章，儼然天子一樣，孝廉計吏都前往拜見他。他的從弟濟陰郡太守袁敘給袁紹寫信說：『如今海內喪敗，天意在我袁家，神靈有徵，登大位者當在尊兄您。南兄（指袁術）的臣下欲使之即位，南兄說論年紀北兄（指袁紹）更長，應該把大位讓給北兄，想把御璽送來，結果卻讓曹操斷了道。』袁紹宗族累世受國之重恩，但卻凶逆無道，諸如此類的事不可勝數。所以我整合兵馬，與之戰於官渡，乘聖朝之威，最後斬殺其大將淳于瓊等八人，使之大敗，袁紹和他兒子袁譚僅率少部分人逃走，共斬首七萬餘級，輜重財物以億數。」
曹操所言斬袁紹八員大將應該是：顏良、文丑、韓猛、淳于瓊、眭元進、韓莒子、呂威璜、趙。至於其他戰果，這裡說得很明確，斬殺七萬多人。
《三國志袁紹傳》說，袁紹和袁譚不是率八百人逃跑的，而是只有父子倆（紹與譚單騎退渡河）。袁紹手下其他人詐降，後來被發現，結果都被坑殺了。裴松之注引張《漢紀》在這裡作補充道：「殺袁紹士共計八萬人。」
司馬光把這些信息綜合了一下，寫道：「剩下的袁軍都投降了，曹操全部活埋了他們（盡坑之），前後所殺共七萬多人。」這些話似乎都有來歷，但擱在一起就顯得有些不對勁了，因為這些話里似乎隱含著這樣的意思：袁軍士兵投降後，曹操把他們全都坑殺了，一共有七萬多人。
這雖然不太符合以上史實，但卻在後世影響很大。其實，陳壽和裴松之都沒有說過官渡之戰後曹操坑殺袁軍士兵七八萬人的事，《獻帝起居注》和《漢紀》也沒有明確記載，曹操之所以坑殺降卒，是因為他們詐降，按理說只有參與詐降的士卒才會被坑殺，戰場起義的（如張、高覽所部）和真心投降的都不在此列，七萬多人全部詐降嗎？沒有這樣的記載。
即使是說過曹操在泗水河畔坑殺了數十萬人的司馬光，此處也未明言曹操把七萬多降卒全活埋了，說曹操坑殺七萬多人純粹是對上述信息的胡亂嫁接。
此處並非刻意要為曹操辯護，而是想說動輒活埋數萬名降卒的事不僅不合乎人性和倫理，也不合乎曹操此時作為朝廷司空的身份，更不合乎勝利一方的利益。人力資源是此時最稀缺的資源，曹操未必是一個不殺生的善人，但他沒有必要浪費資源，使用降將降卒一向是曹操的政策，曹操沒有見降卒就殺的習慣。
或許曹操坑殺了不少降卒，因為他們詐降，一怒之下活埋他們是可能的，但這應該是一小部分人。而曹操戰報里說的斬殺七萬多人應該是官渡之戰的全部戰果，包括白馬之戰、延津之戰、汝南郡之戰、烏巢之戰以及徐晃、史渙擊敗韓猛之戰等，僅在烏巢之戰中一萬多袁軍除一千多人被俘外，其他都被消滅了。
曹操的戰利品除了俘虜和軍用物資之外，還有兩類特別的東西，一類是袁紹隨軍帶來的圖書、珍寶，袁紹打仗來了還有閑情雅緻看書賞古玩？其實這是袁紹刻意帶來的，當初把鄭玄老先生請出來隨軍也是同樣的想法，袁紹想的是一口氣拿下許縣建立新朝廷，朝廷的體制、禮儀、官制等都要來個新面貌，所以帶了不少圖書資料還有擺在未來皇宮裡的用具等。現在，這些都成了曹操的戰利品。
還有一類是袁軍的公文、書信等資料，其中不乏絕密級檔案，袁紹敗得很突然，來不及帶走也來不及銷毀，全落到曹軍手中。據《魏氏春秋》等書記載，許縣朝廷乃至於軍中有不少人都曾向袁紹暗送秋波，寫了很多信，這些都是通敵的罪證。曹操平生最恨的就是誰跟他玩潛伏，現在有了確鑿證據，正好秋後算賬。
可曹操卻當著眾人的面一把火把這些書信都燒了，據說看都沒有看一眼。曹操說：「當初袁紹那麼強大，我尚且感到不保，何況大家呢？」此舉讓很多揪著的心又放了下來，大家不得不佩服曹操心胸博大，再也沒有其他想法了。
發生在建安五年（200年）的官渡之戰，以