曹操虽然在白马之战中斩杀了颜良，又在之后用诱敌之计诛杀了文丑，但并不能改变敌强我弱的整体态势。
于是，在连续取胜后，曹操依旧下令大步后退，将战线后撤至官渡。
曹军退还官渡后，后续渡河的袁军主力继续向南推进，至阳武。
沮授眼看袁绍步步进逼，已经将补给线拉长，便对袁绍说：“我军人多，但英勇善战不如曹军；曹军粮少，物资储备不如我军。速战速决有利于曹操，稳扎稳打有利于我军。所以，我们应该深挖沟，稳扎营，打持久战。”
袁绍挥挥手，不耐烦地说道：“你去一边好好看着，看本将军如何用兵，好好看清楚本将军是如何生擒曹操的。”
袁绍没有反驳沮授，也没有开口骂人。因为这次沮授和他的想法一致。只不过，这么好的战术，凭你们的脑子怎么能想得出来呢？这是只有我袁绍才能想到的绝妙好计。
于是，袁绍命令部队逐渐逼近官渡，紧靠曹军扎营，军营东西绵延数十里。
是年八月，两军主力在官渡会战。
这种大规模集团作战，人数优势是极其巨大的。和袁军的几次作战，曹军均告失利，伤亡率高达百分之三十，前线能作战的兵已不足两万人。
于是曹操下令全军进入营寨，坚守不出。
袁绍随即展开强攻。奈何曹操的防御做得相当到位，袁军数次攻击，伤亡巨大，却没能攻破曹军大营。
袁绍于是改变策略。下令修筑壁楼，堆起土山，从高处向曹营射箭。一时间曹营内箭如雨下，曹军伤亡惨重，将士只得蒙着盾牌走路。
曹军的反击也没让袁军等很久。曹操下令制造“发石车”，可以将大石块儿抛射出去。袁军建造的壁楼、土山不久就被曹军的“发石车”全数摧毁。
一计不成，袁绍又生一计。
他下令挖掘地道，一直通往曹营的内部。结果挖掘行动被曹军侦察兵发现。于是曹操下令在大营外围挖掘长沟进行防御，并向长沟内灌水。同时，为了迟滞袁军的攻势，曹操还多次派军队袭击袁军的运粮车队，让袁绍损失惨重。
这一场技术含量颇高的持久战一直持续了四个月。这段时间，跟随曹军从白马和延津来到官渡的老百姓无法进行生产，生活困苦。开始不断有人从曹操这边逃跑，回到袁绍阵营。
而袁绍一边加强前线的攻势，一边派遣使臣进行外交攻击，不断派遣使者携带礼物招降豫州诸郡。曹操统治的豫州在袁绍的外交攻势下四方瓦解、远近顾望，纷纷受命，唯有颍川郡、阳安郡仍坚持不动。
前线局势不利，后方诸郡失火，再加上粮草供应困难，曹操感觉心力交瘁，快要撑不下去了。
他写信给坐镇许都的荀彧，想要撤军回许县，询问荀彧的意见。
荀彧回复：“袁绍把所有兵力聚集在官渡，这是和您一决胜负的架势。您以极弱的兵力对抗极强的敌军，如果不能消灭敌人，就一定会被敌人消灭，没有中间可能。
明公你仁义胜过袁绍，智谋胜过袁绍，勇气胜过袁绍，用人胜过袁绍，却仍然不能克敌制胜，原因就在于您做什么事都想要万无一失。其实，战争胜负的关键就取决于主帅再坚持一下的顽强意志。只要您咬紧牙关坚持住，局面一定会发生变化。到时候抓住机会，一定能够克敌制胜。”
郭嘉也劝曹操坚持下去。也许是为了给曹操打气，郭嘉一口气为曹操列举了他和袁绍的“十胜十败”。
战局也正如荀彧和郭嘉的预料，变化很快就到来了。
就在刘备离开袁绍军营，二次前往汝南后不久，袁绍的重要谋士许攸突然叛逃。
原来，许攸的家人在冀州犯法，被留守的审配抓住。执法如山的审配不讲私情，将许攸的家人下了大狱。而生性贪婪的许攸多次为袁绍出谋划策，却都被无视。许攸发现，袁绍满足不了自己的欲望，家人又被关进了监狱，一怒之下连夜离开袁绍军营，投奔了曹操。
曹操听说许攸来了，来不及穿鞋，光着脚就跑出来迎接。
曹操拉着许攸的手，高兴地说：“哈哈，子远来了，我的事儿就好办了！”
再请许攸入座相谈。
客套几句后，许攸将话题转向当前，问到：“贵军军粮可以用多久？”
曹操回答：“足以支持一年。”
许攸一撇嘴，说：“哪有这么多？说真的吧！”
曹操再答：“还可以支持半年。”
许攸冷哼一声，说：“我看你是存心不想打败袁绍吧，为何不说真话？”
曹操明白，许攸应该是掌握了情报。再不说实话，恐怕很难取得对方的信任。
于是说道：“刚才是跟你开玩笑而已，其实军粮只剩此月的份量。”
见曹操实话实说不再隐瞒，许攸便将自己对战局的分析和接下来的应对措施和盘托出。
许攸献计说：“孟德你孤军独守，既无援军，亦无粮食，这实在是危急存亡的关键时刻。现在袁军有一大批粮食存于乌巢。乌巢守将淳于琼嗜酒如命，空有士兵，实无防备。曹公你只要亲率轻骑兵急袭乌巢，烧其粮草，不过三天，袁军必然大乱。到时候再趁势发动总攻，袁绍一战可擒！”
曹操闻言大喜。打算依照许攸的计策亲自前往乌巢。
大将徐晃劝阻曹操说：“许攸新来投奔，还搞不清楚是真降还是诈降，主公不可以身犯险。末将愿意替主公去乌巢焚烧袁军粮草。”
曹操说：“疑人不用，用人不疑。而且，这种能扭转战局的事，我当然要亲自前去，士兵们才会奋勇向前。你们就在大营，做好总攻的准备吧。”
曹操于是亲自领兵赴乌巢，袭击淳于琼。曹操让士兵都换上袁军服装，一路上遇到岗哨，就谎称是派往乌巢加强防御的援军。
到达乌巢后，淳于琼果然大醉不起。曹军趁夜干掉袁军岗哨，然后围屯放火，乌巢守军顿时大乱。