這時，官渡之戰後投奔劉表的劉備屯駐於樊城今湖北襄樊），聽說劉琮投降，便率軍向江陵今屬湖北）撤退。
江陵為荊州重鎮，存有大量軍用物資。曹操聽說，怕江陵落入劉備之手，遂親率五千騎兵從襄陽今湖北襄樊）疾馳三百里，在當陽長坂今湖北當陽東北）將劉備追上，大破其軍，隨後進佔江陵。
曹操在擊潰劉備後，乘勢想一舉鯨吞江東，孫權、劉備兩家在魯肅和諸葛亮等人的努力下，組成聯盟，孫權命都督周瑜率軍三萬，與劉備的兩萬人馬組成聯軍抵抗曹操。
曹操自江陵東下，至赤壁今湖北武昌縣西赤磯山）與孫、劉聯軍接戰不利，暫駐軍於烏林今湖北洪湖縣東北），與對方隔江對峙。
周瑜用詐降之計，命大將黃蓋率小戰船十艘，上裝柴草，灌以膏油，船頭釘上大釘，假稱投降，向北岸而進，至離曹營二里之處時，各船一齊點火，然後藉助風勢，直向曹軍衝去，曹軍大敗，舟船被燒。
曹操率軍從華容道今湖北監利西北）陸路撤回江陵，撤軍北還。
赤壁戰敗後，曹操採取一些措施，穩定內部。
建安十五年春，曹操下《求賢令》，說：“今天下尚未定，此特求賢之急時也……二三子其佐我明揚仄陋，唯才是舉，吾得而用之。”
曹操提出不拘品行、唯才是舉的用人方針，目的是儘量把人才收羅到自己身邊。
建安十六年211年），曹操開始對關中用兵。三月，曹操遣司隸校尉鍾繇率大將夏侯淵以討伐漢中治南鄭，今陝西漢中東）張魯為名進兵關中。
關中馬超、韓遂、楊秋等十部心生疑懼，一時俱反。曹操立即派大將曹仁進攻關中，馬超等人屯據潼關。
七月，曹操率大軍親征關中，大敗關中聯軍，馬超等因之慾割地求和，曹操不允。
九月，馬、韓等再次請求割地，並送任子以求和，曹操採納賈詡的建議，偽許之，並再次大敗韓、馬軍。韓遂、馬超敗走涼州，楊秋則逃回安定，曹軍陣斬成宜和李堪等叛將，關中自此平定。
十月，曹操進軍安定，楊秋投降。曹操率軍撤回，命夏侯淵督眾將繼續西征，在兩年內，逐馬超、破韓遂、滅宋建、橫掃羌、氐，虎步關右，涼州地區基本平定。
建安十七年212年），漢獻帝准許曹操“參拜不名、劍履上殿”，如漢丞相蕭何故事。
建安十八年213年），曹操起兵號稱四十萬，親自南征孫權。次年正月，曹軍進至濡須口今安徽巢縣東南），攻破孫權設在江北的營寨，生擒其將公孫陽。
孫權親率軍七萬，前至濡須口抵禦曹軍。二軍相持月餘，各無所獲。曹操見孫權軍容嚴整，自己難以取勝，遂撤軍北還。
同年五月，復《禹貢》九州。漢獻帝冊封曹操為魏公，加九錫、建魏國，定國都於鄴城。魏國擁有冀州十郡之地，置丞相、太尉、大將軍等百官。
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