建安十年（205年）正月，曹操又以負約為名，攻滅袁譚，冀、青二州平定。于是，曹操上表讓還兗州牧，改任冀州牧。
袁尚兵敗后，逃奔幽州刺史袁熙，不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡烏桓。同年，黑山軍首領(lǐng)張燕率領(lǐng)其部眾十余萬人投降曹操。
建安十一年（206年），曹操攻滅高干，平定并州。
建安十二年（207年），曹操為了肅清袁氏殘余勢力，也為了徹底解決三郡烏桓入塞為害問題，決定遠征烏桓。
漢末，遼西、遼東、右北平三郡烏桓結(jié)合，是為三郡烏桓，其首領(lǐng)為遼西部的蹋頓。三郡烏桓與袁氏關(guān)系一直很好，并屢次侵擾邊境，擄掠人口財物。
五月，曹操親率大軍到達無終（今薊縣）。時正雨季，道路積水，“淺不通車馬，深不載舟船”。曹操從無終人田疇之議，改從一條久已斷絕，但“尚有微徑可尋”的路線進軍。
在田疇的引導下，曹操大軍登徐無山（今河北玉田北），出盧龍塞（今河北喜峰口附近），“塹山堙谷五百余里”，直指烏桓老巢柳城（今遼寧朝陽南）。
八月，曹軍進至離柳城不足二百里時，烏桓才發(fā)現(xiàn)，于是蹋頓與袁尚、袁熙等人率數(shù)萬騎兵迎擊。二軍相遇，時曹軍輜重在后，“被甲者少，”而烏桓軍軍勢甚盛。
曹操登高瞭望，見烏桓軍雖多，但陣勢不整，遂命大將張遼為前鋒，乘烏桓軍陣稍動之機，向烏桓軍發(fā)動猛攻。
烏桓軍大亂，曹軍陣斬蹋頓，大獲全勝，胡、漢降者二十余萬，袁尚等人逃奔割據(jù)平州的公孫康。
這時，有人勸曹操乘勢進擊公孫康，曹操說：“吾方使康斬送尚、熙首，不煩兵也。”遂率軍還師。
不久，公孫康果然斬殺袁尚、袁熙，并將其首級獻與曹操。諸將不明所以，曹操說：
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“彼素畏尚等，吾急之則并力，緩之則自相圖，其勢然也?！?br/>
于是，曹操攻破三郡烏桓，也徹底肅清了袁氏勢力。
十一月至易水，代郡烏丸行單于普富盧、上郡烏丸行單于那樓將其名王來賀。同年郭嘉因水土不服、氣候惡劣、日夜急行操勞過度，在曹操北歸前病逝。
歸程途中，據(jù)《曹瞞傳》記載：“時寒且旱，二百里無復水，軍又乏食，殺馬數(shù)千匹以為糧，鑿地入三十馀丈乃得水。既還，科問前諫者，眾莫知其故，人人皆懼。公皆厚賞之，曰：‘孤前行，乘危以徼幸，雖得之，天所佐也，故不可以為常。諸君之諫，萬安之計，是以相賞，后勿難言之?！?br/>
建安十三年（208年），開辟玄武池訓練水軍。六月，曹操廢三公，恢復丞相制度，并自任漢朝丞相。基本平定北方后，兵鋒轉(zhuǎn)而南向。
七月，進軍南征荊州劉表。
八月，劉表病死，其子劉琮接任荊州牧。
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