在兩軍相持階段，能否不斷地補給軍糧，會直接關係到戰爭的勝敗。一天，曹軍的探子偵察到，有幾千輛袁軍的糧車，正往官渡這邊押運過來。押運官韓猛是個有勇無謀的人，打起仗來輕敵少備。荀攸聽到這一情況，便建議曹操派兵去劫奪袁紹的糧車。曹操派部將徐晃和史渙率兵前往，在半路上打跑了韓猛，燒掉了他押送的全部糧車和軍用物資。到了十月，袁紹又派人從河北運來一萬多車軍糧，囤積在大營以北40里的故市、烏巢(都在今河南省延津縣境內)，還特派大將淳于瓊帶領一萬人駐在那裡保護。由於上次糧車被燒，沮授這次特別提醒袁紹，要他另派一員戰將率領一部分軍隊駐防在淳于瓊的外側，以防曹軍偷襲。袁紹又沒有採納這個建議。
袁紹的另一個謀士許攸，認為曹操兵少，主力部隊已經集中在官渡，後方必定空虛；他建議袁紹派出一支輕騎兵，星夜去偷襲許都。袁紹主觀武斷，顧慮多端，又不採納許攸的意見，反而說：「不必，我一定可以在這裡捉住曹操！」許攸看到袁紹如此驕傲輕敵，最後必然要敗給曹操，因此，思想發生了動搖。恰在這時，住在鄴城的許攸家族有人犯了法，被留守鄴城的審配拘留起來。許攸在氣憤之下，就暗地裡背棄袁紹，投靠曹操去了。
曹操和許攸本來是老相識，現在聽說許攸前來投奔，高興得連鞋子都來不及穿，就跑出去迎接。曹操拍手說：「子遠(許攸字子遠)遠道而來，我的大事一定可以成功了。」許攸坐下來，開口就問曹操：「袁紹軍勢很盛，您打算怎樣對付他？目前還有多少軍糧？」曹操說：「還可以支持一年。」許攸知道這是假話，就說：「沒有這麼多吧，請再說說！」曹操又說：「可以支持半年。」許攸知道曹操說的還是假話，便點穿他說：「您不想打敗袁紹嗎？為什麼不說實話呢？」曹操知道瞞不過許攸，便滿臉堆笑地對許攸說：「方才是同你開個玩笑。其實軍糧只夠維持一個月，你看該怎麼辦呢？」許攸見曹操說了實話，便把袁紹在烏巢囤積軍糧的情況完全告訴了曹操，並且建議曹操派出輕騎前往偷襲，把袁紹的糧草和輜重全部燒掉，不出三天，就可以打敗袁紹。
許攸獻的計策，使曹操喜出望外。這天夜裡，星光滿天，曹操留下曹洪、荀攸防守官渡大營，自己率領步兵和騎兵5000人，打著袁軍旗號，每人手裡拿著一把乾柴，口裡銜著枚，把所有的馬嘴都綁起來，從小路奔向烏巢。枚是一根像筷子似的小木棍兒，古代夜間行軍或偷襲敵營，往往讓行軍的人每人口中銜枚一個，以免說話或出聲，被敵人發覺。枚的兩頭還有繩子拴在脖子上。曹軍一路上幾次遇到袁軍盤問，都假稱是袁紹派到烏巢去增援的，就這樣，順利地通過了袁軍的防線。天還沒亮，曹軍到達烏巢，把袁紹的糧囤團團圍住。曹操命令士兵點燃乾柴放火，霎時間，只見糧囤濃煙四起，火光衝天。袁軍從夢中驚醒，慌作一團，不知如何是好。袁軍的守將淳于瓊倉促應戰，經不起曹軍一陣猛攻，只得敗退下來，保守營門。
袁紹很快弄清是曹軍偷襲烏巢，但是並不很重視。他對大兒子袁譚說：「即使曹操打敗了淳于瓊，只要我們攻下他的大營，曹操就沒有歸所了。」於是命令大將張郃〔he河〕、高覽率兵去攻打曹操官渡大營。張郃認為曹操親領精兵圍攻烏巢，恐怕淳于瓊抵擋不住，如果烏巢有失，大事就完了。因此他一再請求袁紹先派兵去救淳于瓊。可是袁紹在郭圖的迎合之下，仍然堅持用主力去進攻曹操官渡大營，只派少數騎兵去援救烏巢。官渡曹軍營壘堅固，戰士死守，袁軍久攻不下，等於是給曹操攻破烏巢提供了條件。
再說烏巢的戰況。當袁紹的增援騎兵臨近烏巢的時候，曹操左右的人慌忙向他報告說，「敵人的騎兵就要到了，我們快分一部分軍隊去抵擋吧！」曹操卻嚴厲命令部下說：「等敵人到了我們背後，再來報告！」在曹操堅決果斷的指揮下，曹軍人人拚死戰鬥，勢不可擋，很快就攻下了袁軍的營寨，殺死了主將淳于瓊，袁軍的一萬車糧谷被燒得一乾二淨！
淳于瓊戰敗被殺的消息傳到官渡前線，張郃看到大勢已去，又聽說郭圖在袁紹面前誣陷他，他既氣憤，又害怕，便同高覽把全部攻城機械燒掉，一同到曹營去投降。袁軍本來已經軍心動搖，一見主將投降，就更加慌亂，全部潰散。曹軍乘勢反擊，袁軍大敗，主力差不多全部被殲滅，袁紹和袁譚只率領著800名親兵逃回黃河以北。袁紹因這次慘敗，實力再也恢複不過來，終於積憂成疾，在公元202年五月發病死去。他的幾個兒子爭權奪位，互相攻殺，結果被曹操各個擊破。袁氏父子的殘暴統治結束了，曹操統一中國北方的局面終於形成了。
官渡之戰，是歷史上以少擊眾、以弱勝強的著名戰爭。曹操能夠取得勝利，是因為在軍事上實行了正確、靈活的作戰原則，例如：先掃清分散的較弱的割據勢力，再集中力量對付正面的強敵；先讓一步，後發制人；聲東擊西，出奇制勝；燒毀敵人糧草，動搖敵方軍心等等。袁紹失敗的原因很明顯：政治腐敗，驕傲輕敵，只知硬拼硬打，不知用策用計等等。曹操能夠虛心採納部下建議，袁紹則一意孤行，也是曹勝袁敗的重要因素。