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建安九年（204）2月，曹军完成了对邺县的合围。
指挥守城的是审配，经过苏由反叛事件，袁军士气非常低落。但是，这一仗也没那么好打，袁绍在这里经营了多年，城防坚固，曹军一时无法得手，又成了一次艰难的攻城作战，堆土山、挖地道，把所有攻城的办法都使上了，就是迟迟攻不下来。
但曹操不想撤军，如果把邺县攻下了，黄河以北大局可定，所以这一次围则必打、打则必胜。曹操索性沉下心来，从肃清外围之敌入手打起了持久战。邺县的左翼是并州刺史部，这里是袁军目前最重要的后勤供应来源，其后援基地集中在上党郡一带，由上党郡到邺县必须经过太行山区的毛城，袁尚的部下武安县长尹楷驻扎在此。
建安九年（204）4月，曹操留曹洪主持围攻邺县，自己亲自率军攻打毛城的尹楷，将其击破而还。此后，曹操又率军绕到邺县的北面，击破了袁尚驻守在邯郸的部将沮鹄，攻占了邯郸，袁尚任命的易阳县令韩范、涉县县长梁岐投降。
徐晃向曹操提出建议：“二袁未破，他们手下其他诸城都在观望，应该重赏这两个县给大家看。”曹操认为有理，将韩范、梁岐这两个县长直接赐爵为关内侯。这一招果然奏效，引起了多米诺骨牌效应，不仅又有多位袁尚任命的地方官员投降，而且还招来一位重量级人物。
这个人就是老牌的实力派人物，黑山军首领张燕。张燕一直是袁绍的劲敌，多年以来也是袁氏集团挥之不去的梦魇。在袁绍与公孙瓒的对抗中张燕坚定地支持公孙瓒，公孙瓒失败后张燕被袁绍打散，后来趁着袁绍忙于官渡之战的机会，张燕慢慢恢复了元气，又卷土重来。张燕看到曹军势大，于是主动联络要求投降曹操。在此前的战史中，张燕跟曹操虽然在大多数情况下是战略上的敌人，他们彼此分属于不同阵营，但他们之间却很少有直接交手的记录。
张燕的投奔进一步鼓舞了曹军的士气，加速了袁氏集团的灭亡。
但是，邺县仍然未能攻下。
这也考验着曹军将士的耐心，最后他们使出了一计狠招。一天，站在邺县城墙上的审配看到曹军的工兵们围着城墙开始挖战壕，整个战壕联结起来长达40里，但是又浅又窄，一使劲都能跨过去。
审配看到以后微微一笑，心想这样的东西是没有任何实际作用的，他也不派人出击搞破坏，曹军有劲没处使就让他们挖吧。岂料，入夜之后曹操下令全体将士都投入到挖战壕的工作中，大家排着队，前面的人挖累了后面的人赶紧替换，人歇活不歇。经过高强度的工兵作业，一夜之间这条40里长的战壕全部扩充到两丈深、两丈宽，这一回审配不笑了，他大为吃惊，但一时间闹不清曹操搞出这种超级工事做什么用。
审配的好奇心马上就有了答案，这些战壕里神奇般的灌满了水，这些水借着设计好的地势一路前奔，直扑城内。原来，曹军挖的不是战壕，而是人工运河，把附近漳河里的水引来灌城。河北省临漳县的三台遗址据说并不是铜雀台，而是它附近的金凤台，真正的铜雀台已被改道的漳河给冲毁了。金凤台遗址在一个镇子边上，镇子的另一侧就是漳河，现在大多数时候河里都没有什么水，站在桥上就可以看到金凤台。所以漳河就在邺县跟前，虽然方便了生活和生产，但也暴露出一个隐患，那就是邺县很容易被水攻。
用水攻城对曹军来说并不陌生，之前在下邳之战中最后也是引河水灌城，彻底击垮了守城敌军的意志。城里本来都快撑不住了，现在又泡在了水中，更是雪上加霜。好在现在是夏天，要是换成冬天，不知道情况会怎样。即便如此，城里的人也饿死了一半以上。
但是，袁军仍拼命死守，看来其战斗力并非不堪一击。
转眼间，就到了秋天。
在冀州北部一带活动的袁尚也拼了，率领一万多人马前来救援，曹军大部分将领认为不如放过他们，避开锋芒，然后再寻找机会歼灭。这样的想法是有依据的，《孙子兵法》里说“归师勿遏”，意思是说正在撤退回来的敌人不要去拦阻，因为这些人回家心切，个个都会死战。
曹操才是研究《孙子兵法》的翘楚，对这部兵书比任何人都熟悉，他说：“那倒也未必，这要看袁尚从哪里来，如果是从北面的大道而来，应当避开他；如果是从西面的山道而来，我料定可以擒获他了。”曹操说得挺有把握，根本不像说着玩，弄得大家一头雾水。
曹操派出多路候者在这两个方向随时打探情况，后来接到报告，说敌人走的是西边的山道，大部队已经到了邯郸一带。曹操大喜，对诸将说：“我已经得到冀州了，诸君知道不知道？”大伙不知道领导卖的是什么关子，都说不知道，曹操说：“诸君马上就能看到了！”
曹操并不会算卦，他依据的是心理战的原理。袁尚如果是从北面的大道而来，说明他们没有给自己留退路，来了就会决一死战。袁尚之所以专程绕到西面再向这里进攻，说明他想的是打得赢就打，打不赢就退到太行山里打游击，有了这种心理，曹操料定袁尚必败。
袁尚的主力进到了邺县以西70里的阳平亭，在滏水边扎营。夜里，袁尚派人向邺县城里举火报信，城里也举火回应，这是双方约定的共同行动信号。
审配率兵从城里杀出，想跟袁尚会合，曹操早有准备，在这两个方向都派出阻击部队，城里和城外两路敌兵均被击败，审配退回城里，袁尚被曹军顺势围在了漳河边。袁尚实在没有信心打下去了，向曹操请求投降。
现在才想起来投降，可见袁尚没有他哥哥机灵，但此时曹操已经不需要他投降了，曹操只想尽快消灭他们。袁尚无奈，趁夜突围，还不错，逃了出去，到达附近的太行山中，袁尚的部将马延、张等人临阵投降，袁尚在太行山里也待不下去了，只好逃往中山国。
曹军缴获了大量辎重，还缴获了袁尚的印绶、节钺、衣物等，曹操命人拿着这些东西到邺县外面搞展览，故意让城里的人看，城内守军看到，信心和斗志完全瓦解。
但即使到了这种情况，邺县仍未被攻克。
审配不光会耍嘴皮子，看来还真有两下子，他下令坚守死战，并不断给大家打气：“曹军也疲惫不堪了，二公子袁熙就要来救我们了！”老大和老三打，老二袁熙还在幽州没动，手里有一定实力。但是有人撑不住了，守城的部将冯礼叛变，他打开城门放曹军进城。曹军一下子涌进来300多人，但被审配及时发觉，在城上指挥人扔下大石块堵门，门被堵住，冲进城里的300多名曹兵全部被杀。
还有一次，曹操在城外巡视，让审配看见了，命令弓箭手悄悄埋伏，找到机会突然放箭，差点射中曹操。不过审配再死撑也挽救不了邺县内无粮草、外无救兵的绝境，对于袁军的处境，城里有些将领看得很清楚，他们不想跟审配一块送死，这其中就包括审配的侄子、东城门守将审荣。8月2日夜里，审荣打开邺县东门迎接曹军入城，审配虽然组织人在城里继续巷战，但已无力回天，邺县很快被曹军占领，审配成了俘虏，后来被曹操下令杀了。
打了六个月之久的邺县攻防战以曹军最后的胜利而结束了，包括袁绍妻子刘氏在内的家眷都没有受到伤害，曹操不仅没杀他们，而且还归还了他们的财产，袁熙的妻子甄宓也在城中，被曹操的儿子曹丕看中，成了曹丕的妻子。
曹操不喜欢袁绍，但也不至于恨之入骨，作为相识多年的朋友，曹操对袁绍一直有着复杂的感情，不是一个“爱”或“恨”就可以概括的。不仅如此，曹操还到老朋友的墓前亲自进行了祭奠。
攻克邺县后，曹操给献帝上了一份奏章，报告此次征讨袁尚、占领邺县的情况。
同时，曹操还请献帝发布了两项人事任命：第一项是任命贾诩为太中大夫，免去他原来冀州牧的职务；第二项是任命自己为冀州牧。
冀州刺史部长期是敌占区，冀州牧只剩下了象征意义，此前董昭担任过冀州牧，后来他改任徐州牧，冀州牧让曹操给了刚加入本阵营的贾诩。如今冀州刺史部的大部分地区已被占领，冀州牧也成了实职，曹操决定亲自担任这一职务，所以先给贾诩安排了个新职务，但贾诩不用到许县上班，仍然跟随自己左右，对于这个闻名天下的智囊，曹操一直都寄予着厚望。
曹操在邺县正式以司空兼冀州牧的身份处理公务，他首先给自己找了一个得力的助手，名叫崔琰，他是冀州本地的名士，字季珪，清河郡人，年轻时尚武，23岁才开始发愤读书，29岁拜郑玄为师，跟刘备手下的孙乾是同学。曹操让他担任别驾。
崔琰到位后，曹操让他把冀州刺史部的户籍、土地等方面的档案材料找出来，整整看了一个晚上，看完之后大为兴奋。第二天，曹操对崔琰说：“昨天晚上我查看了冀州的户籍，按照我的推算这里可以征调30万甲士，真不愧是个大州哇！”冀州刺史部确实是个大州，下辖9个郡国、约100个县，根据东汉最后一次人口普查的结果，不说魏郡、渤海郡这样的人口大郡，就连安平国、河间国、清河郡这样的中等郡国，人口也都在60万以上。
面对心花怒放的领导，新上任的崔副州长毫不客气地给他泼了盆冷水：“现在天下分崩，九州割裂，袁氏兄弟大动干戈，冀州百姓生灵涂炭，您领着大军而来，不见您先施行仁政，整顿风俗，救民于水火，反而计算甲兵多少，这岂是冀州百姓对您的期望呢？”
旁边的人听到崔副州长这番话都吓傻了，领导刚上任你就这么不给面子？大家在等着崔琰会受到什么处罚，但没想到的是，曹操立刻收敛起笑容，以一脸严肃的样子郑重向崔琰道歉。曹操这样做不是装样子，他的长处就是大多数情况下都能虚心接受批评，只要你批评得对，也不存在当面接受批评，背后给人穿小鞋的地方。
此后，曹操更喜欢崔琰了，冀州刺史部的事务更加依赖他。
除了崔琰，占领邺县后曹操还大量征辟本地知名人士出来工作，增强自身力量，同时尽快在冀州站稳脚跟，其中包括陈琳、牵招、崔林、高柔、司马懿等人。