建安三年九月，曹操决定亲自东征吕布。同年冬十月，曹军势如破竹，攻克彭城，并展开屠城，俘获了彭城相侯谐。曹操乘胜进军，抵达下邳。吕布亲自率领骑兵迎战，试图抵挡曹操的攻势。但曹操指挥有方，曹军士气高昂，一举大破吕布的军队，还擒获了吕布军中的骁将成廉。曹军乘胜追击，一直追到下邳城下。吕布见曹军来势汹汹，心中恐惧，便想投降。然而，陈宫等人坚决反对投降，极力劝阻吕布，还建议他向袁术求救，并劝说吕布出城迎战。但吕布出战后再次战败，无奈之下只能退回城中，坚守不出。曹操的军队连续作战，士卒们疲惫不堪，曹操见状，便产生了退兵的想法。关键时刻，曹操听取了荀攸、郭嘉的计策，下令决开泗水、沂水，水淹下邳城。
一个多月后，吕布军中发生内乱，部将宋宪、魏续等人抓住陈宫，打开城门向曹操投降。曹操顺利入城，生擒了吕布和陈宫。曹操深知吕布反复无常，陈宫又诡计多端，留着他们恐成后患，于是下令将二人斩杀。
太山郡的臧霸、孙观、吴敦、尹礼、昌豨等人各自聚集了一批人马。在吕布打败刘备时，臧霸等人都追随了吕布。如今吕布战败，臧霸等人也被曹操俘获。曹操深知这些人在当地有一定的影响力，为了稳定局势，他不仅没有为难臧霸等人，反而以优厚的待遇接纳他们，还划出青州、徐州靠近海边的土地，让他们治理，并从琅邪、东海、北海三郡中分出城阳、利城、昌虑等郡。
当初，曹操担任兖州牧时，任命东平人毕谌为别驾。张邈背叛曹操时，劫持了毕谌的母亲、弟弟、妻子和儿女。曹操得知后，体谅毕谌的处境，主动辞退他，说道：“你的老母亲在张邈那里，你可以离开我，去照顾他们。”毕谌听后，向曹操叩首，言辞恳切，表明自己并无二心。曹操被他的忠诚所感动，不禁流下眼泪。然而，毕谌离开曹操后，却背叛曹操，投奔了张邈。等到曹操攻破吕布，生擒毕谌时，众人都为毕谌的性命担忧。曹操却感慨道：“一个人能对自己的亲人尽孝，难道会不忠于君主吗？这正是我所需要的人才啊。”于是，曹操不仅没有惩罚毕谌，还任命他为鲁相。
据《魏书》记载，袁绍一直与原太尉杨彪、大长秋梁绍、少府孔融等人有矛盾，他想让曹操以其他罪名诛杀这些人。曹操却说道：“当今天下分崩离析，各路豪杰纷纷崛起。辅佐君主的大臣们，心中各有想法，都想为自己谋求出路，此时正是君臣相互猜疑的时期。即便我以毫无嫌隙的态度对待他们，都还担心他们不信任我；若是随意诛杀他们，那谁能不感到自危呢？我出身平民，在乱世中崛起，曾遭受庸人的欺凌陷害，心中的怨恨又怎能说得完呢！汉高祖赦免了雍齿的仇怨，从而使群臣安心，这些历史教训怎能忘记呢？”袁绍认为曹操表面上打着正义的旗号，实际上却与自己离心离德，心中对曹操充满了怨恨。臣松之认为，杨彪也曾被魏武帝曹操囚禁，几乎丧命，孔融最终也没能逃脱被诛杀的命运，这难道就是曹操所说的先践行自己的诺言，然后再让人跟从吗？知道道理并不难，难的是真正去践行，这一点确实是千真万确啊。
建安四年春二月，曹操率军回到昌邑。此前，张杨的部将杨丑杀死了张杨，随后眭固又杀掉杨丑，率领张杨的旧部归附袁绍，并屯驻在射犬。同年夏四月，曹操进军到黄河岸边，派史涣、曹仁渡过黄河攻打眭固。眭固留下原张杨的长史薛洪和河内太守缪尚留守射犬，自己则亲自率军北上，迎接袁绍的援军。在犬城，眭固的军队与史涣、曹仁的军队相遇，双方展开激烈交战。曹军勇猛作战，大破眭固的军队，并斩杀了眭固。曹操随后渡过黄河，包围了射犬。薛洪、缪尚见大势已去，率领部众投降。曹操封他们为列侯，然后率军回到敖仓，并任命魏种为河内太守，将河北的事务交给他管理。
当初，曹操举荐魏种为孝廉。兖州发生叛乱时，曹操曾坚信地说：“只有魏种肯定不会背叛我。”可当他听说魏种也逃离了兖州，投靠了敌人，不禁大怒道：“魏种就算逃到南越，或者逃到北方的胡人之地，我也不会放过你！”后来曹操攻下射犬，生擒魏种。曹操看着魏种，感慨道：“他确实是个人才啊！”于是，曹操亲自为魏种解开绳索，不计前嫌，继续任用他。
此时，袁绍已经兼并了公孙瓒，占据了冀州、青州、幽州、并州四州之地，拥兵十多万，势力极为强大。袁绍野心勃勃，打算进军攻打许县。曹操的部将们得知这个消息后，都认为袁绍兵力强盛，难以抵挡。曹操却镇定自若地分析道：“我了解袁绍的为人，他志向远大却智谋不足，外表看似强硬，实则胆小怯懦，心胸狭隘，嫉妒贤能，缺乏威严。他虽然军队众多，但兵力部署混乱，将领骄横，政令不统一。他占据的土地虽然广阔，粮食虽然充足，但这些最终都只会成为我的战利品。”
建安四年秋八月，曹操进军黎阳，派臧霸等人进入青州，攻打齐地、北海和东安。曹操自己则留下于禁屯驻在黄河边上。同年九月，曹操回到许县，分兵把守官渡。冬十一月，张绣率领部众前来投降，曹操封他为列侯。十二月，曹操亲自率军进驻官渡，准备迎接与袁绍的大战。
袁术自从在陈地战败后，势力逐渐衰落，陷入困境。袁谭从青州派人来迎接他。袁术打算从下邳向北逃窜，曹操得知后，派刘备、朱灵前去拦截。恰在此时，袁术因病去世。程昱、郭嘉得知曹操派刘备去拦截袁术后，急忙向曹操进谏道：“刘备此人不可放走，他野心勃勃，早晚会成为您的劲敌。”曹操听后，心中懊悔不已，赶忙派人去追，却已经来不及了。
原来，刘备在还未东行之前，就暗中与董承等人谋划反叛曹操。他到达下邳后，便杀掉徐州刺史车胄，起兵屯驻在沛地。曹操得知刘备反叛，派刘岱、王忠前去攻打，却未能取胜。据《献帝春秋》记载，刘备对刘岱等人说：“就算你们派一百人来，也拿我没办法；要是曹公亲自前来，那结果就难说了！”《魏武故事》中记载，刘岱字公山，是沛国人。他曾以司空长史的身份跟随曹操征战，立下战功，被封为列侯。《魏略》记载，王忠是扶风人，年轻时担任亭长。三辅地区发生战乱时，王忠因饥饿难耐，甚至吃人。后来他跟随众人向南前往武关，恰好遇到娄子伯奉荆州之命来迎接北方的客人。王忠不想离开，便率领众人袭击娄子伯，抢夺了他们的兵器，聚集了一千多人，归附了曹操。曹操任命他为中郎将，让他跟随自己征战。五官将曹丕知道王忠曾吃人，有一次跟随曹操出行时，曹丕让俳优取来坟地间的骷髅，系在王忠的马鞍上，以此取乐。
庐江太守刘勋率领部众前来归降，曹操封他为列侯，以示嘉奖。
建安五年春正月，董承等人密谋诛杀曹操的计划不幸泄露，参与谋划的众人皆被依法处死。曹操打算亲自东征刘备，众将领纷纷劝阻道：“如今与您争夺天下的主要对手是袁绍，眼下袁绍大军即将来袭，您却要弃之不顾，转而向东攻打刘备。倘若袁绍趁机从背后进攻，我们该如何应对？”曹操神情严肃，目光坚定地说道：“刘备是人中豪杰，若不趁早将其击败，日后必定会成为我们的心腹大患。”（孙盛所着的《魏氏春秋》记载，曹操回答众将时说：“刘备乃人中之杰，会给我带来忧患。”臣松之认为，史书记录的言辞，大多经过润色加工，所以之前记载的内容存在与事实不符的情况。而后来的作者又随意改动，这就使得记载与事实相差更远了。孙盛撰写的书籍，常常引用《左传》的内容来更改旧有的记载，类似的情况不止一处。唉，后世的学者还能相信哪些内容呢？况且魏武帝曹操正以平定天下为志向，却说出这种计较生死的话，实在不符合他的身份。）曹操继续分析道：“袁绍虽有远大志向，但他为人优柔寡断，对事情的反应迟缓，得知我东征刘备，他肯定不会立刻有所行动。”郭嘉也极力劝说曹操东征刘备，曹操听后，心意已决，于是挥师东进，攻打刘备。曹军势如破竹，一举击败刘备，生擒其部将夏侯博。刘备狼狈不堪，只得逃往袁绍处寻求庇护，曹操则俘获了刘备的妻子儿女。刘备的部将关羽屯兵在下邳，曹操乘胜追击，再次发起进攻，关羽最终不敌，无奈投降。昌豨原本归附曹操，此时却反叛并投靠刘备，曹操果断出击，再次将其击败。曹操大获全胜后，班师回朝，返回官渡，袁绍果然没有趁机出兵。
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