曹操在柳城待了一個月，在此進行了簡單修整，補充給養，同時清理烏桓控制區的人口，對於那些從內地被烏桓人和袁氏兄弟挾持來的漢人，徵求他們自己的意見，願意回去的就一塊帶回，結果絕大多數漢人都願意回去，人數多達十餘萬。
這再次證明了，曹操在柳城大搞屠城是不存在的。
一舉戰勝烏桓讓曹軍士氣大振，隨行的將領們都躍躍欲試，想再次請戰，不著急回師，乾脆直撲遼東，將公孫康以及袁氏兄弟解決了，省得再來一趟。
但是，正當大家信心滿懷準備殺往遼東的時候，曹操卻下令班師回冀州，這讓大家很不解。從北征烏桓這件事上，大家都覺得若論敢想敢幹，一般人還真比不上曹公，怎麼現在大家的積極性被調動起來了，曹公反而不敢幹了？
面對士氣如虹的將領們，曹操笑了笑說：「我正讓公孫康把袁尚、袁熙的頭砍了送來，不勞大家辛苦了（吾方使康斬送尚、熙首，不煩兵矣）！」大家更是一頭霧水，轉而去問參謀長（軍師祭酒）郭嘉，希望他出面再勸勸曹公。哪知郭參謀長神秘地笑而不答，那意思是你們就等著看好戲吧。
北征大勝，作為此次軍事行動的堅定支持者和首席謀士，郭嘉一直跟隨大軍行動，他本應感到很高興，但此時他卻高興不起來：郭嘉病了。
郭嘉得的什麼病沒有記載，也許是過於操勞，也許是深入北方少數民族地區後水土不服，這次他病得很重，身體一天比一天差。曹操為此很憂心，命人好好照料他，並且準備儘快回師。
建安十二年（207年）九月，曹操率軍從柳城回師。剛上路不久，遼東郡太守公孫康的使者就追來了，送來了袁尚、袁熙以及遼東郡烏桓單于速仆丸的首級。
諸將一看簡直神了，看來曹公早已胸有成竹，料事如神，不戰而勝。大家不知道他究竟用了什麼樣的高招，把向來「恃遠不服」的公孫康都調動了，於是都過來問。
曹操笑了笑，說：「公孫康對袁氏父子素來畏懼且忌憚，我們如果追之過急，他們就會聯合起來對抗我們，如果緩一些，他們就會自相殘殺（急之則并力，緩之出自相圖），就是這個簡單的道理而已。」
大家聽了，不得不佩服。
袁氏兄弟逃往遼東投奔遼東郡太守公孫康。公孫康雖然是一個郡太守，實際上卻控制了整個「大遼東」地區，範圍包括樂浪郡、遼東郡、玄菟郡、遼東屬國，大體相當於今天的整個遼東半島和朝鮮半島的一部分，除此之後還有隔海相望的山東半島的一小部分。
袁紹父子跟遼東公孫氏沒有什麼交往，正如曹操分析的那樣，公孫康只想自保，他不像蹋頓那樣娶過袁家的姑娘，因而不會為袁尚、袁熙得罪曹操，為自己引來殺身之禍。
況且，袁尚、袁熙也不是只身前來的，他們身後還有幾千人馬，這讓公孫康更加不安。這倆小子目前已經走投無路了，說不定會鋌而走險來搶自己的地盤。公孫康決定先下手為強，把他們幹掉，解除心腹之患，同時賣給曹操一個人情。
據《典略》記載，公孫康設宴招待袁氏兄弟，預先在馬廄里埋伏下精兵，只等二袁一到就動手。
公孫康玩陰的，袁氏兄弟也沒閑著。正如公孫康所料，袁尚、袁熙也正在密謀對付公孫康，並且也選擇在這次宴會上動手。袁尚為人勇猛好鬥，他對袁熙說：「在這次宴會上必然能與公孫康相見，我想跟哥哥你聯手擊之，那麼遼東就是我們的了！」
袁尚、袁熙也做了布置，比如宴席上舞劍、摔杯為號等等，但他們卻沒有撈到表演的機會，因為他們剛進宴會廳就讓公孫康事先埋伏的人給綁了。公孫康下令把他們扔到院子里的地上。
此時是農曆十月，東北地區已經天寒地凍了，把袁尚、袁熙著實凍壞了。袁尚招架不住，想求一個席子鋪在地上好受一些，袁熙對弟弟說：「一會兒腦袋都要搬家了，還要什麼席子（頭顱方行萬里，何席之為）？」
公孫康下令將袁尚、袁熙斬首。袁紹的三個兒子，長子袁譚、次子袁熙、三子袁尚至此全部死了，袁氏的勢力徹底灰飛煙滅。據《典略》記載，袁譚字顯思，袁熙字顯奕，袁尚字顯甫。
《吳書》一書稱，袁紹還有一個兒子名叫袁買，跟袁尚、袁熙一起到了遼東，被公孫康一塊殺了。《曹瞞傳》一書也提到了袁買這個人，但它認為袁買不是袁紹的兒子，而是袁紹的孫子，是袁譚或袁熙的兒子，袁尚的侄子。
袁氏兄弟的首級被送到曹操面前時，他還在回師的路上。為了表彰公孫康，同時繼續穩住這個東北王，曹操以獻帝的名義拜公孫康為左將軍，封襄平侯。這是個縣侯，公孫康此前的軍職是從他父親公孫度那裡繼承來的武威將軍，爵位是永寧鄉侯，現在軍職和爵位都晉陞了一級。
公孫康的行政職務未變，仍然是遼東郡太守。
曹操率軍繼續前進，他們回師走的是哪條道沒有明確記載，但與來時相比，回程一樣不輕鬆，甚至更加艱難。
據《曹瞞傳》說，曹操回師的時候天又寒又旱，二百里之內找不到水源，軍糧也成了問題。曹操下令殺馬充饑，前後共殺了幾千匹戰馬，這讓曹操心疼壞了，可憐虎豹騎的兄弟們現在也只能暫時改當步兵了。
曹操命人就地鑿井取水，挖了三十多丈，再往下挖就要把遼河油田提前給挖出來了，這才勉強打出了點兒水。
這一仗打得慘烈，行軍的景象也慘烈，去的時候慘烈，得勝歸來也慘烈，曹軍從來沒有打過這樣的仗。
郭嘉已經無法騎馬，只能躺在車上。曹操惦記著郭嘉的病情，一路上不停地詢問，經常到郭嘉跟前探望，但郭嘉的病情絲毫沒有好轉的跡象，這讓曹操心情很沉重。
在這次回師的路上也有令人高興的事，大軍行進到易水的時候，代郡烏桓單于普富盧、上郡烏桓單于那樓等人親率部族首領前來祝賀曹軍大捷，並表示願意歸降。這又一次證明了曹操在柳城屠城的不可能。
根據史料記載，曹軍回師途中還有一件有趣的事，在曹軍隊伍里有一輛大車，車上有個大鐵籠，裡面關著一件稀罕物：一隻獅子。
據《博物志》一書記載，在白狼山上曹軍遇到了獅子，曹操派人捕殺，但獅子很兇，傷了不少人。曹操親自率領數百人圍攻，獅子怒吼，嚇得左右皆驚。
曹操忽然發現從林子里跑出一個東西，像是狸子，它竄到曹操乘坐的車的車把上。獅子過來攻擊，這個像狸子一樣的東西跳起來竄到獅子頭上，獅子一下子趴到地上不敢起來了，於是大家上去把獅子殺了。
白狼山上遇到的獅子還不止這一隻，曹操指揮人竟然還活捉了一隻，於是弄個籠子裝到車上拉了回去。
快到鄴縣時，這頭雄獅大吼了一聲，據《博物志》稱，聽到這一聲獅吼，三十里之內雞狗都不敢叫喚了（三十里雞犬皆伏，無鳴吠）。