建安九年春正月，曹操亲率大军渡过黄河。为保障军队的粮草运输畅通无阻，他下令截断淇水，使其流入白沟，成功开辟了一条新的粮道。
二月，袁尚再次对袁谭发起进攻，留下苏由、审配镇守邺城。曹操得知消息后，即刻率军向邺城进发。当曹军行进到洹水时，苏由见曹操势大，深知抵抗无益，便选择归降曹操。曹操大军顺利抵达邺城后，立刻展开了攻城行动。曹军筑起土山，挖掘地道，试图突破邺城的防御。此时，武安县长尹楷屯兵在毛城，负责保障上党地区与邺城之间的粮道畅通。
夏四月，曹操留下曹洪继续攻打邺城，自己则亲自率领精锐部队出击尹楷。经过一番激烈的战斗，曹操成功击败尹楷，随后凯旋而归。袁尚的部将沮鹄据守邯郸，曹操自然不会放过这个战略要地，挥师攻打邯郸。在曹操的猛烈攻势下，沮鹄难以抵挡，邯郸城被攻破。易阳县令韩范、涉县长梁岐见曹军势如破竹，为求自保，同时也为百姓考虑，举县向曹操投降。曹操为了嘉奖他们，赐予二人关内侯的爵位。
五月，曹操见土山、地道的攻城策略进展缓慢，于是改变战术，他下令毁掉土山和地道，转而在邺城周围挖掘深沟，筑起坚固的壁垒，并引来漳水灌入城中。这一举措使得邺城陷入绝境，城中粮食短缺，饿死者超过半数，百姓苦不堪言。
秋七月，袁尚得知邺城危急，赶忙回军救援。曹操的将领们见袁尚的军队士气正盛，都认为“这是一支急于回援的军队，人人都会为了求生而拼死作战，我们不如暂且避开他们的锋芒”。曹操却冷静分析道：“如果袁尚从大道前来，我们确实应当避其锋芒；但如果他沿着西山而来，那他就注定要被我们擒获了。”果然，袁尚选择沿着西山进军，并在滏水边上安营扎寨。（《曹瞒传》记载，曹操派遣多部侦察兵前后探查，侦察兵们回来都报告说：“袁尚肯定是从西道而来，已经到邯郸了。”曹操听后大喜，召集众将说道：“我已经拿下冀州了，你们知道吗？”众将都一脸疑惑地回答：“不知道。”曹操笑着说：“你们很快就会看到了。”）当天夜里，袁尚派兵试图突破曹操的包围圈，曹操早有防备，指挥军队迎头痛击，袁尚的军队被打得大败而逃。曹操乘胜追击，将袁尚的营地团团围住。还没等包围圈完全合拢，袁尚就感到大势已去，心中恐惧万分，他急忙派原豫州刺史阴夔和陈琳向曹操乞降。曹操深知袁尚反复无常，这次乞降或许只是缓兵之计，于是果断拒绝了他的请求，并加紧了对袁尚的围攻。袁尚见投降不成，趁夜率领残军偷偷逃走，前往祁山寻求庇护。曹操怎会轻易放过他，立即率军追击。在追击过程中，袁尚的部将马延、张顗等人临阵倒戈，向曹操投降。袁尚的军队顿时军心大乱，全面溃败，袁尚无奈之下，只能逃往中山。曹操大获全胜，缴获了袁尚的全部辎重物资，还得到了他的印绶、符节和斧钺。曹操让袁尚的降兵拿着这些物品给城中袁尚的家人看，城中守军得知袁尚战败，士气瞬间崩溃，人心惶惶。
八月，审配兄长的儿子审荣在夜里偷偷打开他所把守的邺城东门，放曹军入城。审配得知后，仓促率军迎战，但此时曹军士气正盛，审配根本抵挡不住，最终战败被擒。曹操为了彻底铲除袁氏势力，下令将审配斩首，至此，邺城被曹操平定。曹操来到袁绍墓前，亲自祭祀。他想起曾经与袁绍一同起兵的过往，心中感慨万千，不禁痛哭流涕。祭祀完袁绍后，曹操又前往袁绍家中，慰问袁绍的妻子，归还了袁家的家人和宝物，并赏赐给他们各种丝绸、棉絮，还供给他们粮食，让他们能够维持生计。（孙盛对此评论道：从前先王施行奖赏和惩罚，目的是为了惩恶扬善，让后人永远以此为鉴。袁绍趁着世道艰难危急，心怀叛逆的阴谋，对上企图谋取皇位，对下扰乱国家法纪。按照古代的制度，对于叛逆之臣的坟墓应当予以铲除，以示惩戒。然而曹操却在逆臣的墓前极尽哀伤，还对袁绍贪婪的家族施加恩惠，这样的为政之道，实在是有所失误。隐藏对友人的怨恨，这是古代贤哲所不齿的行为；在曾经投宿过的馆舍解下骖马表示哀悼，也应当是真心实意，不能虚情假意地流泪。如果道不同、情谊已绝，又有什么值得哭泣的呢？从前汉高祖在对待项羽的问题上有所失误，如今魏武帝曹操在这件事上也犯了同样的错误，这难道不是智者千虑中的一失吗？）
当初，袁绍与曹操一同起兵之时，袁绍曾问曹操：“如果事情进展不顺利，我们可以占据哪些地方作为根基呢？”曹操反问他：“你心里是怎么想的呢？”袁绍回答道：“我打算向南占据黄河天险，向北依靠燕、代之地的险阻，再兼并戎狄的兵力，然后向南进军，争夺天下，你觉得这样可行吗？”曹操则自信满满地说：“我依靠天下人的智慧和力量，用正确的方法来驾驭他们，无论占据哪里，都能成就大业。”（《傅子》中还记载，曹操又说：“商汤和周武王成就王业，难道是依靠相同的土地吗？如果仅仅依靠险要的地势作为资本，就无法根据时机灵活应变了。”）
九月，曹操颁布命令：“河北地区的百姓遭受了袁氏统治的苦难，今年一律免除租赋！”同时，他还加重了对豪强兼并土地行为的惩处力度。这一系列举措深得民心，百姓们得知后，无不欢欣鼓舞。（《魏书》记载了曹操的命令：“无论是治理国家还是管理家族，不怕财富少，就怕分配不均；不怕贫穷，就怕社会不安定。袁氏统治的时候，纵容豪强肆意妄为，他们的亲戚大量兼并土地。底层的百姓贫困弱小，却还要代他们缴纳租赋，百姓们即便变卖全部家产，也难以满足赋税的要求。审配的宗族，甚至还藏匿罪犯，成为逃犯的庇护所。在这样的情况下，还想让百姓亲近归附，军队强大，怎么可能呢？现在规定，每亩土地征收田租四升，每户缴纳绢二匹、绵二斤，除此之外，其他任何赋税都不得擅自征收。各郡国的太守、国相要严格检查，不能让豪强隐瞒土地、逃避赋税，而让弱小的百姓承受过重的负担。”）
此时，汉献帝任命曹操兼任冀州牧，曹操便将兖州牧的职位归还朝廷。在曹操围困邺城期间，袁谭趁机攻取了甘陵、安平、勃海、河间等地。袁尚战败逃往中山后，袁谭又对他发起进攻。袁尚抵挡不住，只能逃往故安，袁谭趁机兼并了他的部众。曹操得知袁谭违背先前的约定，十分愤怒，他给袁谭写了一封信，严厉斥责他背信弃义的行为，并宣布与袁谭断绝婚约，让袁谭把女儿送回。做完这些后，曹操再次率军向袁谭进军。袁谭得知曹操来攻，心中十分害怕，他放弃平原城，逃往南皮，据城坚守。十二月，曹操率军进入平原，顺利平定了平原周围的各个县。
建安十年春正月，曹操大军全力攻打袁谭。战场上，双方激战许久，从清晨一直打到中午，局势胶着，胜负难分。关键时刻，曹操亲自拿起鼓槌击鼓助威，激昂的鼓声瞬间点燃了曹军的斗志，士兵们士气大振，如猛虎般奋勇向前。在曹操的鼓舞下，曹军势不可挡，一举攻破袁谭的防线，成功斩杀袁谭，并将其妻子儿女一并诛杀，至此，冀州全境被曹操平定。（《魏书》记载：曹操攻打袁谭时，战斗从早到晚都没有决出胜负，曹操亲自擂鼓，士兵们受到激励，士气高昂，很快就攻破了袁谭的阵地。 ）
曹操平定冀州后，颁布命令：“凡是曾与袁氏一同作恶的人，只要能改过自新，既往不咎。”同时，他严令禁止百姓私下复仇，并且对丧葬规格进行规范，严禁厚葬之风，一切都以法律为准绳。就在这个月，袁熙的大将焦触、张南等人发动叛乱，转而攻打袁熙和袁尚。袁熙和袁尚抵挡不住，只好逃往三郡乌丸寻求庇护。焦触等人则率领所部各县向曹操投降，曹操为表彰他们，封他们为列侯。
当初，曹操讨伐袁谭时，曾下令让百姓敲碎河冰以便船只通行，然而部分百姓因畏惧劳役而逃亡。曹操得知后，下令不接受这些逃亡百姓的投降。不久后，有逃亡的百姓来到军营门前自首。曹操看着他们，无奈地说：“如果放了你们，那便是违背军令；可要是杀了你们，你们又是主动前来自首的。你们还是回去找个地方藏起来吧，千万别再被官吏抓到了。”百姓们听后，感动得热泪盈眶，而后离去。但最终，这些百姓还是被抓到了。