从以上部署看，曹操所采取的战略方针，不是分兵把守黄河南岸，而是集中兵力，扼守要隘，重点设防，以逸待劳，后发制人。从当时情势而言，这种部署是得当的。首先，袁绍兵多而曹操兵少，千里黄河多处可渡，如分兵把守则防不胜防，不仅难以阻止袁军南下，且使自己本已处于劣势的兵力更加分散。其次，官渡地处鸿沟上游，濒临汴水。鸿沟运河西连虎牢、巩、洛要隘，东下淮泗，为许都北、东之屏障，是袁绍夺取许都的要津和必争之地。加上官渡靠近许都，后勤补给也较袁军方便。
袁绍派遣使者招揽众人，遣使招诱兖州、豫州诸郡。
刘表则响应了袁绍攻曹的号召，派人策动诸州郡阴谋反曹，而阳安都尉李通则拒绝了袁绍、刘表的反曹号召。除了阳安之外，豫州的其余诸郡大多响应袁绍的号召。
关中诸将表示中立，既不助袁，也不助曹。
十一月，张绣准备同意，贾诩却当着张绣的面回绝了袁绍的来使，准确地指出袁绍不能容人，而投降曹操有三点优势：曹操挟天子令诸侯，名正言顺；曹操兵力较弱，更愿意拉拢盟友；曹操志向远大，一定能够不计前嫌。张绣听从贾诩的建议，率众归顺曹操，被拜为扬武将军。
建安五年（200年）正月，车骑将军董承、偏将军王服、越骑校尉种辑接受了汉献帝的衣带诏，欲诛杀曹操，但事泄，被曹操夷灭三族。袁绍终于获得了名正言顺的开战理由，于是，袁绍奉衣带诏，讨伐曹操，派陈琳书写檄文并公开发布，檄文中把曹操骂得无法忍受。袁、曹两家公开宣战。
当曹操正部署对袁绍作战时，参与了衣带诏之谋的刘备起兵反曹。刘备占领下邳，屯据沛县（今江苏沛县）。刘备军增至数万人，并与袁绍联系，打算合力攻曹。曹操为保持许都与青州、兖州的联系，避免两面作战，于次年二月亲自率精兵东击刘备，迅速占领沛县，转而进攻下邳，迫降关羽。刘备全军溃败，只身逃往河北投奔袁绍。当曹、刘作战正酣之时，袁绍别驾田丰建议袁绍“举军而袭其后”，但袁绍以幼子有病为辞拒绝采纳，致使曹操从容击败刘备回军官渡。
曹操派遣臧霸、孙观、孙康等人牵制青州刺史袁谭。
二月，袁绍进军黎阳，企图渡河寻求与曹军主力决战。他首先派大将郭图、淳于琼、颜良进攻白马的东郡太守刘延，企图夺取黄河南岸要点，以保障主力渡河。
四月，曹操为争取主动，求得初战的胜利，亲自率兵北上解救白马之围。此时谋士荀攸认为袁绍兵多，建议声东击西，分散其兵力，先引兵至延津，伪装渡河攻袁绍后方，使袁绍分兵向西，然后遣轻骑迅速袭击进攻白马的袁军，攻其不备，定可击败颜良。曹操采纳了这一建议，袁绍果然分兵延津，令正在进攻白马的郭图、淳于琼率军向西，挺进延津。沮授劝阻袁绍道：“颜良的性格急促狭小，虽然骁勇，但不可以让他独自担任大将。”袁绍不从。
在郭图、淳于琼等人率军奔赴延津后，曹操乃乘机率领轻兵迅速袭击颜良。曹军以中郎将张辽、偏将军关羽为前锋，曹操亲率裨将军徐晃等人继其后。关羽望见了颜良麾盖（大将所乘戎车，设幢麾、张盖），在张辽军队与颜良军队交战之时，关羽策马冲到颜良身边，在万众之中刺死颜良，又拔出腰间佩刀斩其首级而归。袁军诸将都不能挡住关羽。袁军溃散。
曹操解了白马之围后，迁徙白马的百姓沿黄河向西撤退。袁绍率军渡河追击，军至延津南，派大将文丑与刘备继续率兵追击曹军，曹操当时的骑兵不足六百，驻于南阪（在白马南）下，而袁军达五六千骑，尚有步兵在后跟进。曹操令士卒解鞍放马，并故意将辎重丢弃道旁。袁军果然中计，纷纷争抢财物。曹操突然挥动着自己手中所持“麾”，下令发起攻击。徐晃等人翻身上马，终于击败袁军，杀了文丑（文丑为乱军所杀，并不是关羽斩杀），顺利退回官渡。颜良、文丑都是河北名将，却被一战而斩，袁绍军队的锐气被挫伤。
袁军初战失利，但兵力、粮草、军货、财力仍然占据明显的优势。
后来，曹操回到官渡，沮授向袁绍说：“河北兵虽然人多势众但勇猛不如河南兵，河南的粮草、军货、财力都不如河北；河南利于速战速决，河北利于缓慢战斗。所以，我们应让两军缓慢相持，拖长战事。”沮授建议以持久缓进的战术来消耗曹军，但袁绍又不听从。
七月，进军阳武（今河南中牟北），准备南下进攻许都。八月，袁军主力接近官渡，依沙堆立营，东西宽约数十里，曹操也立营与袁军对峙，曹军“合战不利”。九月，曹军再度出击，与袁军交战不利，再次退回营垒，坚守。
袁绍构筑楼橹，堆土如山，用箭俯射曹营。曹军制作了一种抛石装置叫作霹雳车，发石击毁了袁军所筑的楼橹。袁军又掘地道进攻，曹军也在营内掘长堑相抵抗，粉碎了袁军的计策。双方相持三个月，曹操处境困难，前方兵少粮缺，士卒疲乏，后方也不稳固，曹操几乎失去坚守的信心，一日见运粮士兵疲于奔命，于心不忍，不禁脱口而出，“却十五日为汝破绍，不复劳汝矣！”
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