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袁绍仍然不从，他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。九月，两军会战，曹军失利，躲进营垒中坚壁不出。
袁绍修筑壁楼，堆起土山，从高处发箭射击曹营。箭如雨下，曹营中的将士只得蒙着盾牌走路，但壁楼、土山不久就被曹军的“霹雳车”轰毁了。
袁绍又暗凿通往曹营的地道，曹军则在营中挖掘长沟进行防御。袁军的运粮车还遭到曹军的袭击，两军相持了一百多天，河南老百姓困苦不堪，很多人背叛曹军，响应袁军。
相持期间，袁绍先后派刘备、韩荀袭击许都，但是皆被曹仁击败，因此不再分兵复出。然而，这种有利于袁绍的形势却突然急转直下。
这时，袁绍派淳于琼带领万余人北迎运粮车，沮授特意提醒说：“可增派蒋奇领一支人马在淳于琼外侧，以防止曹操偷袭。”
而谋士许攸则提出乘曹操倾军而出，轻骑奔袭许都的建议。然而，袁绍因之前韩荀和刘备袭击许都失败，不想再分兵冒险。
事有凑巧，在邺城的许攸家族中有人犯法，被留守的审配抓进监狱，许攸大为不满，于是投奔曹操。在许攸的谋划下，曹操亲自领兵赴乌巢，袭击淳于琼。
当曹操奔袭乌巢之时，袁军部将张郃主张救淳于琼，他对袁绍说：
“曹操亲自出马，必然得手，那么事情就无可挽回了。”
郭图却别出心裁地说：“不如乘此时发兵去进攻曹军大营。”
袁绍认为郭图说得对，只要攻拔曹营，曹操就无家可归了，于是派高览、张郃率领重兵攻击曹营，而只派轻骑救援乌巢。
高览、张郃攻营不下，乌巢大败的消息已经传来了，二将无心恋战，竟自向曹军投降。袁绍全军大乱，一下子全垮了。
慌忙之中，袁绍及长子袁谭各单骑逃遁，直奔黄河渡口，随后又逃来一群骑兵，约有八百骑，渡河至黎阳北岸。
这一仗袁绍损失七、八万人，武器、辎重、图书、珍宝无数。当他跌跌撞撞走进部下蒋义渠营帐中时，握着蒋义渠的手，无比伤感地说：
“我把自己的脑袋都交给你了。”
官渡败后，有人对田丰说：“你必将受重用了。”
田丰平静地回答说：“如出兵打胜了，我一定能够安全。如今兵败，我必死无疑。”
果然，袁绍回到邺城，说：“我当初不听田丰之言，今天真的要让他笑话了。”于是下令杀了他。
回到冀州后，袁绍陆续平定了各处的叛乱。不久，袁绍发病，死于建安七年（202年）夏五月二十八日。由于袁绍平素有德政，去世之时，河北百姓没有不悲痛的，市里巷间挥洒着眼泪，如同失去亲人一般。审配等矫袁绍遗命，奉袁尚为嗣。
袁谭、袁尚为了争权相攻，被曹操各个击破。
建安十年（205年），袁谭被杀，袁尚与二兄袁熙逃亡辽西乌桓。
建安十二年（207年），曹操北定乌桓，袁尚、袁熙败走辽东，被公孙康所杀。
造化弄人，昨日还想称帝，今天就败亡身死，实在是可怜可叹！且看历史对袁绍的评价：
荀谌：袁氏一时之杰。
曹操：吾知绍之为人，志大而智小，色厉而胆薄，忌克而少威，兵多而分画不明，将骄而政令不一，土地虽广，粮食虽丰，适足以为吾奉也。
荀彧：绍，布衣之雄耳，能聚人而不能用。
荀攸：绍以宽厚得众心。
郭嘉：袁公徒欲效周公之下士，而未知用人之机。多端寡要，好谋无决。
程昱：夫袁绍据燕、赵之地，有并天下之心，而智不能济也。
杨阜：袁公宽而不断，好谋而少决；不断则无威，少决则失后事，今虽强，终不能成大业。
曹丕：绍遇因运，得收英雄之谋，假士民之力，东苞巨海之实，西举全晋之地，南阻白渠黄河，北有劲弓胡马，地方二千里，众数十万，可谓威矣。当此之时，无敌于天下，视霸王易于覆手，而不能抑遏愚妻，显别嫡庶，婉恋私爱，宠子以貌；其后败绩丧师，身以疾死，邪臣饰奸，二子相屠，坟土未干，而宗庙为墟，其误至矣。
***：袁绍这个人多谋寡断，有谋无断，没有决心，不果断，结果兵败于官渡。所以有谋还要善断。
总之，历史是胜利者的，还有句话说，成王败寇。我们常常看到，两个实力相当的人，因为胜负差别，被后人夸耀和鞭叱到天差地别。
其实客观点说，曹操大破袁绍，以少胜多，的确是历史上堪称经典之战的大战。但是你非要说袁绍多差，也未必，只是他比不过曹啊瞒而已。
乱世天下，想问你我，如果活在当时，谁能比得过袁绍，很多事后诸葛亮品评三国，觉着这个也不行，那个也蠢货，其实说实话，作为高官，朝廷混迹多年，你不说打仗，但是在地方经营上，袁绍经营的不错，论打仗，说实在的，许攸说袁绍，不缺智谋，缺少的是决断力。再说智者之间的比斗，大将之间的比斗，未必是兵法，阵法，那么玄乎，或许就只是一时战机。
你非要说曹操必胜袁绍，纵观历史，曹操也是险胜，为什么这么说，倘若没有许攸和袁绍不和，倘若袁绍没有用那个酒囊饭袋去掌管粮草，或者倘若缺乏决断力的袁绍听了田丰的和曹操比消耗战，或许就没有日后的曹操的天下之说了。
曹操要胜利，也不是绝对必然，说实话，曹操作为胜利者，被褒奖是没错的，但是袁绍作为失败者，其实绝不是一无是处，曹操将之作为头号对手，袁绍没有点手段，光有兵力，不会经营，曹操怎么会把他放在眼里？
曹操还是很重视袁绍的，绝对不像后来曹操胜利时，被很多人当做势必如此的必然。历史很多都发于偶然，在众多不可测非人为的因素里，其实上天也帮了曹操不少，如果在这么多不可测因素里，不满足一项，或者满足袁绍一项，曹操未必胜出。