從這一年起，曹操把自己的據點北遷到了冀州鄴城，政令軍隊此後皆從此出，而漢獻帝的都城許縣則只留些許官吏。
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。於是，曹操上表讓還兗州牧，改任冀州牧。
袁尚兵敗後，逃奔幽州刺史袁熙，不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡烏桓。同年，黑山軍首領張燕率領其部眾十餘萬人投降曹操。
建安十一年206年），曹操攻滅高幹，平定幷州。
建安十二年207年），曹操為了肅清袁氏殘餘勢力，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、右北平三郡烏桓結合，是為三郡烏桓，其首領為遼西部的蹋頓。三郡烏桓與袁氏關係一直很好，並屢次侵擾邊境，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），“塹山堙谷五百餘里”，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，烏桓才發現，於是蹋頓與袁尚、袁熙等人率數萬騎兵迎擊。二軍相遇，時曹軍輜重在後，“被甲者少，”而烏桓軍軍勢甚盛。
曹操登高了望，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，向烏桓軍發動猛攻。
烏桓軍大亂，曹軍陣斬蹋頓，大獲全勝，胡、漢降者二十餘萬，袁尚等人逃奔割據平州的公孫康。
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，並將其首級獻與曹操。諸將不明所以，曹操說：
“彼素畏尚等，吾急之則併力，緩之則自相圖，其勢然也。”
於是，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《曹瞞傳》記載：“時寒且旱，二百里無覆水，軍又乏食，殺馬數千匹以為糧，鑿地入三十餘丈乃得水。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，乘危以徼倖，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，後勿難言之。’”
建安十三年208年），開闢玄武池訓練水軍。六月，曹操廢三公，恢復丞相制度，並自任漢朝丞相。基本平定北方後，兵鋒轉而南向。
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。
九月，曹操大軍進至新野，劉琮以為無法抵擋，舉荊州之眾投降曹操。
