曹操在柳城待了一个月，在此进行了简单修整，补充给养，同时清理乌桓控制区的人口，对于那些从内地被乌桓人和袁氏兄弟挟持来的汉人，征求他们自己的意见，愿意回去的就一块带回，结果绝大多数汉人都愿意回去，人数多达十余万。
这再次证明了，曹操在柳城大搞屠城是不存在的。
一举战胜乌桓让曹军士气大振，随行的将领们都跃跃欲试，想再次请战，不着急回师，干脆直扑辽东，将公孙康以及袁氏兄弟解决了，省得再来一趟。
但是，正当大家信心满怀准备杀往辽东的时候，曹操却下令班师回冀州，这让大家很不解。从北征乌桓这件事上，大家都觉得若论敢想敢干，一般人还真比不上曹公，怎么现在大家的积极性被调动起来了，曹公反而不敢干了？
面对士气如虹的将领们，曹操笑了笑说：“我正让公孙康把袁尚、袁熙的头砍了送来，不劳大家辛苦了（吾方使康斩送尚、熙首，不烦兵矣）！”大家更是一头雾水，转而去问参谋长（军师祭酒）郭嘉，希望他出面再劝劝曹公。哪知郭参谋长神秘地笑而不答，那意思是你们就等着看好戏吧。
北征大胜，作为此次军事行动的坚定支持者和首席谋士，郭嘉一直跟随大军行动，他本应感到很高兴，但此时他却高兴不起来：郭嘉病了。
郭嘉得的什么病没有记载，也许是过于操劳，也许是深入北方少数民族地区后水土不服，这次他病得很重，身体一天比一天差。曹操为此很忧心，命人好好照料他，并且准备尽快回师。
建安十二年（207年）九月，曹操率军从柳城回师。刚上路不久，辽东郡太守公孙康的使者就追来了，送来了袁尚、袁熙以及辽东郡乌桓单于速仆丸的首级。
诸将一看简直神了，看来曹公早已胸有成竹，料事如神，不战而胜。大家不知道他究竟用了什么样的高招，把向来“恃远不服”的公孙康都调动了，于是都过来问。
曹操笑了笑，说：“公孙康对袁氏父子素来畏惧且忌惮，我们如果追之过急，他们就会联合起来对抗我们，如果缓一些，他们就会自相残杀（急之则并力，缓之出自相图），就是这个简单的道理而已。”
大家听了，不得不佩服。
袁氏兄弟逃往辽东投奔辽东郡太守公孙康。公孙康虽然是一个郡太守，实际上却控制了整个“大辽东”地区，范围包括乐浪郡、辽东郡、玄菟郡、辽东属国，大体相当于今天的整个辽东半岛和朝鲜半岛的一部分，除此之后还有隔海相望的山东半岛的一小部分。
袁绍父子跟辽东公孙氏没有什么交往，正如曹操分析的那样，公孙康只想自保，他不像蹋顿那样娶过袁家的姑娘，因而不会为袁尚、袁熙得罪曹操，为自己引来杀身之祸。
况且，袁尚、袁熙也不是只身前来的，他们身后还有几千人马，这让公孙康更加不安。这俩小子目前已经走投无路了，说不定会铤而走险来抢自己的地盘。公孙康决定先下手为强，把他们干掉，解除心腹之患，同时卖给曹操一个人情。
据《典略》记载，公孙康设宴招待袁氏兄弟，预先在马厩里埋伏下精兵，只等二袁一到就动手。
公孙康玩阴的，袁氏兄弟也没闲着。正如公孙康所料，袁尚、袁熙也正在密谋对付公孙康，并且也选择在这次宴会上动手。袁尚为人勇猛好斗，他对袁熙说：“在这次宴会上必然能与公孙康相见，我想跟哥哥你联手击之，那么辽东就是我们的了！”
袁尚、袁熙也做了布置，比如宴席上舞剑、摔杯为号等等，但他们却没有捞到表演的机会，因为他们刚进宴会厅就让公孙康事先埋伏的人给绑了。公孙康下令把他们扔到院子里的地上。
此时是农历十月，东北地区已经天寒地冻了，把袁尚、袁熙着实冻坏了。袁尚招架不住，想求一个席子铺在地上好受一些，袁熙对弟弟说：“一会儿脑袋都要搬家了，还要什么席子（头颅方行万里，何席之为）？”
公孙康下令将袁尚、袁熙斩首。袁绍的三个儿子，长子袁谭、次子袁熙、三子袁尚至此全部死了，袁氏的势力彻底灰飞烟灭。据《典略》记载，袁谭字显思，袁熙字显奕，袁尚字显甫。
《吴书》一书称，袁绍还有一个儿子名叫袁买，跟袁尚、袁熙一起到了辽东，被公孙康一块杀了。《曹瞒传》一书也提到了袁买这个人，但它认为袁买不是袁绍的儿子，而是袁绍的孙子，是袁谭或袁熙的儿子，袁尚的侄子。
袁氏兄弟的首级被送到曹操面前时，他还在回师的路上。为了表彰公孙康，同时继续稳住这个东北王，曹操以献帝的名义拜公孙康为左将军，封襄平侯。这是个县侯，公孙康此前的军职是从他父亲公孙度那里继承来的武威将军，爵位是永宁乡侯，现在军职和爵位都晋升了一级。
公孙康的行政职务未变，仍然是辽东郡太守。
曹操率军继续前进，他们回师走的是哪条道没有明确记载，但与来时相比，回程一样不轻松，甚至更加艰难。
据《曹瞒传》说，曹操回师的时候天又寒又旱，二百里之内找不到水源，军粮也成了问题。曹操下令杀马充饥，前后共杀了几千匹战马，这让曹操心疼坏了，可怜虎豹骑的兄弟们现在也只能暂时改当步兵了。
曹操命人就地凿井取水，挖了三十多丈，再往下挖就要把辽河油田提前给挖出来了，这才勉强打出了点儿水。
这一仗打得惨烈，行军的景象也惨烈，去的时候惨烈，得胜归来也惨烈，曹军从来没有打过这样的仗。
郭嘉已经无法骑马，只能躺在车上。曹操惦记着郭嘉的病情，一路上不停地询问，经常到郭嘉跟前探望，但郭嘉的病情丝毫没有好转的迹象，这让曹操心情很沉重。
在这次回师的路上也有令人高兴的事，大军行进到易水的时候，代郡乌桓单于普富卢、上郡乌桓单于那楼等人亲率部族首领前来祝贺曹军大捷，并表示愿意归降。这又一次证明了曹操在柳城屠城的不可能。
根据史料记载，曹军回师途中还有一件有趣的事，在曹军队伍里有一辆大车，车上有个大铁笼，里面关着一件稀罕物：一只狮子。
据《博物志》一书记载，在白狼山上曹军遇到了狮子，曹操派人捕杀，但狮子很凶，伤了不少人。曹操亲自率领数百人围攻，狮子怒吼，吓得左右皆惊。
曹操忽然发现从林子里跑出一个东西，像是狸子，它窜到曹操乘坐的车的车把上。狮子过来攻击，这个像狸子一样的东西跳起来窜到狮子头上，狮子一下子趴到地上不敢起来了，于是大家上去把狮子杀了。
白狼山上遇到的狮子还不止这一只，曹操指挥人竟然还活捉了一只，于是弄个笼子装到车上拉了回去。
快到邺县时，这头雄狮大吼了一声，据《博物志》称，听到这一声狮吼，三十里之内鸡狗都不敢叫唤了（三十里鸡犬皆伏，无鸣吠）。