在两军相持阶段，能否不断地补给军粮，会直接关系到战争的胜败。一天，曹军的探子侦察到，有几千辆袁军的粮车，正往官渡这边押运过来。押运官韩猛是个有勇无谋的人，打起仗来轻敌少备。荀攸听到这一情况，便建议曹操派兵去劫夺袁绍的粮车。曹操派部将徐晃和史涣率兵前往，在半路上打跑了韩猛，烧掉了他押送的全部粮车和军用物资。到了十月，袁绍又派人从河北运来一万多车军粮，囤积在大营以北40里的故市、乌巢(都在今河南省延津县境内)，还特派大将淳于琼带领一万人驻在那里保护。由于上次粮车被烧，沮授这次特别提醒袁绍，要他另派一员战将率领一部分军队驻防在淳于琼的外侧，以防曹军偷袭。袁绍又没有采纳这个建议。
袁绍的另一个谋士许攸，认为曹操兵少，主力部队已经集中在官渡，后方必定空虚；他建议袁绍派出一支轻骑兵，星夜去偷袭许都。袁绍主观武断，顾虑多端，又不采纳许攸的意见，反而说：“不必，我一定可以在这里捉住曹操！”许攸看到袁绍如此骄傲轻敌，最后必然要败给曹操，因此，思想发生了动摇。恰在这时，住在邺城的许攸家族有人犯了法，被留守邺城的审配拘留起来。许攸在气愤之下，就暗地里背弃袁绍，投靠曹操去了。
曹操和许攸本来是老相识，现在听说许攸前来投奔，高兴得连鞋子都来不及穿，就跑出去迎接。曹操拍手说：“子远(许攸字子远)远道而来，我的大事一定可以成功了。”许攸坐下来，开口就问曹操：“袁绍军势很盛，您打算怎样对付他？目前还有多少军粮？”曹操说：“还可以支持一年。”许攸知道这是假话，就说：“没有这么多吧，请再说说！”曹操又说：“可以支持半年。”许攸知道曹操说的还是假话，便点穿他说：“您不想打败袁绍吗？为什么不说实话呢？”曹操知道瞒不过许攸，便满脸堆笑地对许攸说：“方才是同你开个玩笑。其实军粮只够维持一个月，你看该怎么办呢？”许攸见曹操说了实话，便把袁绍在乌巢囤积军粮的情况完全告诉了曹操，并且建议曹操派出轻骑前往偷袭，把袁绍的粮草和辎重全部烧掉，不出三天，就可以打败袁绍。
许攸献的计策，使曹操喜出望外。这天夜里，星光满天，曹操留下曹洪、荀攸防守官渡大营，自己率领步兵和骑兵5000人，打着袁军旗号，每人手里拿着一把干柴，口里衔着枚，把所有的马嘴都绑起来，从小路奔向乌巢。枚是一根像筷子似的小木棍儿，古代夜间行军或偷袭敌营，往往让行军的人每人口中衔枚一个，以免说话或出声，被敌人发觉。枚的两头还有绳子拴在脖子上。曹军一路上几次遇到袁军盘问，都假称是袁绍派到乌巢去增援的，就这样，顺利地通过了袁军的防线。天还没亮，曹军到达乌巢，把袁绍的粮囤团团围住。曹操命令士兵点燃干柴放火，霎时间，只见粮囤浓烟四起，火光冲天。袁军从梦中惊醒，慌作一团，不知如何是好。袁军的守将淳于琼仓促应战，经不起曹军一阵猛攻，只得败退下来，保守营门。
曹操听说许攸前来，高兴得连鞋都来不及穿，就跑出去迎接。
袁绍很快弄清是曹军偷袭乌巢，但是并不很重视。他对大儿子袁谭说：“即使曹操打败了淳于琼，只要我们攻下他的大营，曹操就没有归所了。”于是命令大将张郃〔he河〕、高览率兵去攻打曹操官渡大营。张郃认为曹操亲领精兵围攻乌巢，恐怕淳于琼抵挡不住，如果乌巢有失，大事就完了。因此他一再请求袁绍先派兵去救淳于琼。可是袁绍在郭图的迎合之下，仍然坚持用主力去进攻曹操官渡大营，只派少数骑兵去援救乌巢。官渡曹军营垒坚固，战士死守，袁军久攻不下，等于是给曹操攻破乌巢提供了条件。
再说乌巢的战况。当袁绍的增援骑兵临近乌巢的时候，曹操左右的人慌忙向他报告说，“敌人的骑兵就要到了，我们快分一部分军队去抵挡吧！”曹操却严厉命令部下说：“等敌人到了我们背后，再来报告！”在曹操坚决果断的指挥下，曹军人人拼死战斗，势不可挡，很快就攻下了袁军的营寨，杀死了主将淳于琼，袁军的一万车粮谷被烧得一干二净！
淳于琼战败被杀的消息传到官渡前线，张郃看到大势已去，又听说郭图在袁绍面前诬陷他，他既气愤，又害怕，便同高览把全部攻城机械烧掉，一同到曹营去投降。袁军本来已经军心动摇，一见主将投降，就更加慌乱，全部溃散。曹军乘势反击，袁军大败，主力差不多全部被歼灭，袁绍和袁谭只率领着800名亲兵逃回黄河以北。袁绍因这次惨败，实力再也恢复不过来，终于积忧成疾，在公元202年五月发病死去。他的几个儿子争权夺位，互相攻杀，结果被曹操各个击破。袁氏父子的残暴统治结束了，曹操统一中国北方的局面终于形成了。
官渡之战，是历史上以少击众、以弱胜强的著名战争。曹操能够取得胜利，是因为在军事上实行了正确、灵活的作战原则，例如：先扫清分散的较弱的割据势力，再集中力量对付正面的强敌；先让一步，后发制人；声东击西，出奇制胜；烧毁敌人粮草，动摇敌方军心等等。袁绍失败的原因很明显：政治腐败，骄傲轻敌，只知硬拼硬打，不知用策用计等等。曹操能够虚心采纳部下建议，袁绍则一意孤行，也是曹胜袁败的重要因素。