Thắng trận đầu, nhưng Tào Tháo biết mình thực lực không bằng Viên Thiệu, bèn rút khỏi Bạch Mã và Diên Tân về đóng tại Quan Độ, một là tập trung quân về một nơi, tránh lãng phí tài lực, hai là dụ cho địch thọc sâu, tuyến tiếp tế kéo dài.
Với tầm nhìn chiến lược và tài xoay xở trong những tình huống cụ thể, Tào Tháo đã đạp tan thế lực họ Viên lừng lẫy, đặt nền móng cho sự ra đời của "đế chế Tào Công".
Phát minh máy bắn đá giải vây tại Quan Độ
Khi Tào Tháo rút về Quan Độ, cũng chính là khởi đầu cho giai đoạn cầm cự tương đối cao về hàm lượng kỹ thuật tác chiến. Thoạt tiên, Viên Thiệu dựng tháp, đắp gò cao trong doanh trại, rồi từ những điểm cao đó bắn xuống doanh trại Tào Tháo. Quân Tào bị thương la liệt, luôn phải đội khiên lên đầu (doanh trung giai mông thuẫn), sợ bạt vía (chúng đại cụ). Không chỉ chống đỡ, mà phải phản công.
Vậy là Tào Tháo phát minh "máy bắn đá", phá huỷ hoàn toàn các tháp của Thiệu. Cũng có thể coi "máy bắn đá" của Tháo như một thứ đại bác thời hiện đại - vũ khí sát thương qui mô lớn. Quân Thiệu sợ quá, gọi "máy bắn đá" là "đòn sấm sét". Thua keo này, bày keo khác, Thiệu lại sai đào hầm thông sang doanh trại Tào để tập kích. Tháo đối phó lại bằng cách đào hào sâu để chặn đường, lại sai kỵ binh tập kích xe lương thảo của Thiệu.
Ngoài giao chiến trực diện, cả Tháo và Thiệu đều tìm cách thọc sườn nhau. Khi Tào Tháo bận bịu ở Quan Độ, tướng Khăn Vàng theo Tháo là Lưu Tỵ phản thùng, đầu hàng Viên Thiệu. Thiệu sai Lưu Tỵ hội quân với Lưu Bị quấy nhiễu xung quanh Hứa Đô, bị Tào Nhân đánh cho thất điên bát đảo. Lưu Bị bỏ chạy như chuột. Trong khi đó, Tháo cũng tìm cách bắt mối với bọn quân phiệt Ô Hoàn phía bắc, khiến viên Thiệu bị đánh cả trước mặt lẫn sau lưng. Tóm lại giai đoạn này bất phân thắng bại, coi như huề.
Sự kiên trì phòng ngự của Tào Tháo cuối cùng đã như dự kiến, với một người không có cái nhìn chiến lược như Viên Thiệu, nắm đội quân trăm vạn chiến đấu lâu dài rất dễ mắc sai lầm. Sự việc thứ nhất, mang tính chất "báo hiệu" là Lưu Bị (lúc này đang theo Viên Thiệu) đánh bài chuồn, đưa quân về Nhữ Nam với Lưu Biểu. Có người bảo, là vì khi thất trận Nhữ Nam trở về, sắc mặt Viên Thiệu tối sầm. Lưu Bị ngượng, tính đi ăn nhờ nơi khác. Điều này chưa hẳn.
Theo sử sách ghi chép, cha con Viên Thiệu thực lòng kính nể Lưu Bị (khuynh tâm kính trọng), Viên Thiệu sầm mặt là có thể có, nhưng Lưu Bị không phải loại người chỉ nhìn vào sắc mặt của người khác. Dù Viên Thiệu tỏ ra không bằng lòng, thậm chí sắc mặt vô cùng khó coi, nhưng nếu Viên Thiệu tương lai sáng sủa, thì Lưu Bị vẫn nhẫn nhịn mà ở lại. Lưu Bị đã từng theo rất nhiều người nên có thể nhịn được những "chuyện vặt" như vậy. Hơn nữa đó không thể là cách nhìn của một người "chia ba thiên hạ" sau này. Điều này chỉ có thể lý giải, Lưu Bị đã nhìn được trước thất bại của Viên Thiệu.
Biết người biết ta trăm trận trăm thắng
Sự ra đi của Lưu Bị có lẽ chỉ mang tính chất báo hiệu cho sự thất bại của Viên Thiệu nhiều hơn vì lúc này binh lực của Bị không đáng kể.
Nhưng việc Hứa Du bỏ Thiệu sang với Tào Tháo thì khác. Có ba lý do dẫn đến Hứa Du bỏ Viên Thiệu, riêng Tam quốc chí liệt kê hai. Vũ đế kỷ chép, Hứa Du tham tiền bạc, Thiệu không đáp ứng nổi, nên bỏ đi (Hứa Du tham tài, Thiệu bất mãn túc, lai bôn). Tuân úc truyện lại chép, thẩm tra, thấy gia đình Hứa Du không tuân thủ pháp luật , bèn bắt vợ con Hứa Du, Du giận mà phản Thiệu (thẩm phối dĩ Hứa Du gia bất pháp, thu kỳ thê tử, Du nộ phản Thiệu). Tập Tào Xỉ trong Hán Tấn xuân thu thì lại cho rằng, trong khi hai bên cầm cự, Du khuyên Thiệu lưu một số quân lính cầm chân Tào Tháo, còn quân chủ lực nên theo đường tắt đánh chiếm Hứa Đô, bắt vua làm con tin thì việc lớn sẽ thành. Thiệu không nghe, nói diệt Tào Tháo trước đã, rồi hãy tính chuyện khác. Du giận, bỏ sang hàng Tào Tháo.
Hứa Du bỏ đi là một thiệt thòi lớn cho Thiệu, còn Tháo thì vớ bở. Bởi vì Hứa Du gắn bó với Thiệu từ lâu, quen nhau từ thuở xây dựng căn cứ địa Ký Châu, sau khi đoạn tuyệt với Đổng Trác. Du là con người lắm mưu nhiều kế, nắm nhiều tình báo quân sự quan trọng. Du bỏ đi, Thiệu thiệt thòi đã đành, quân tướng Thiệu cũng hoang mang. Vì vậy, Tào Man truyện mới chép, khi nghe tin Du đến hàng, Tháo xoa tay cười lớn (phủ chưởng tiếu viết), phen này công việc của ta ổn rồi. Quả vậy, Hứa Du bàn luôn với Tháo kế hoạch "phóng hoả đốt Ô Sào". Tháo thực hiện ngay lập tức, hơn nữa đích thân dẫn khinh kỵ đánh chiếm Ô Sào, tổng kho của Thiệu. Ô Sào thất thủ trực tiếp dẫn đến sự kiện thứ ba.
Đó là sự kiện Trương Cáp trở cờ chống lại Thiệu. Cáp là đại tướng của Thiệu, rất dũng cảm, mưu trí, theo Thiệu từ thời Ký Châu. Theo Tam quốc chí . Trương Cáp truyện, khi Tào Tháo đánh úp Ô Sào, Thiệu cũng nhận được tin. Cáp chủ trương lập tức tăng viện cho Ô Sào. Viên Thiệu không nghe ý kiến của Cáp, mà lại đưa đại quân tiến đánh Quan Độ theo kế của Quách Đồ hòng bắt Tào Tháo phải rút quân ở Ô Sào về. Thế nhưng kết quả không được như mong đợi. Quách Đồ cuống lên, bịa chuyện làm hại Cáp để gỡ tội.
Vậy là chiến tranh chuyển gấp sang giai đoạn quyết định thắng bại. Thu nhận Trương Cáp, Tháo lập tức thực thi mưu kế của Giả Hủ, dốc toàn lực tấn công. Lúc này Thiệu không còn ai giúp rập, mất hẳn ý chí chiến đấu, bỏ cả quân sĩ mà chạy, chỉ đem theo con trưởng là Viên Đàm. Quân Thiệu như rắn không đầu, tan vỡ từng mảng. Theo Tam quốc chí . Vũ đế kỷ, trước đó 1 năm, khi Thiệu chuẩn bị tấn công, Tháo đã cười mà rằng: Thiệu tuy đất rộng, lương thảo dồi dào (thổ địa tuy quảng, lương thực tuy phong), nhưng đó là lễ vật dâng tặng cho ta (thích túc dĩ vị ngô phụng dã). Thế mà đúng, Tháo vớ được một khoản ngoại ngạch kếch sù.
Trận Quan Độ kết thúc vào tháng Mười năm Kiến An thứ năm đời Hán Hiến đế (200 sau công nguyên). Sau đó Viên Thiệu không sao gượng dậy nổi. Tháng Bảy năm Kiến An thứ năm (204 sau công nguyên), Tháo đánh bại Viên Thượng, người kế nghiệp Viên Thiệu. Tháng Tám, Tháo vào Nghiệp Thành tế Viên Thiệu, tiện thể cuỗm luôn cô vợ mới cưới của Viên Hi. Tháng Giêng năm Kiến An thứ mười, Tháo đánh bại con trưởng Viên Thiệu là Viên Đàm, bình định Ký Châu, Viên Đàm bị giết. Tháng Chín năm Kiến An thứ mười hai (207 sau công nguyên) Thái thú Liêu Đông Công Tôn Khang giết Viên Thượng - người kế nghiệp Viên Thiệu và con thứ hai của Thiệu là Viên Hi, đem đầu dâng Tào Tháo. Gia đình họ Viên lừng lẫy một thời, bị giết sạch.
Sau khi diệt Viên Thiệu, thế và lực của Tào Tháo đã mạnh lên rất nhiều. Nền móng cho sự ra đời nghiệp vương đế của họ Tào sau này đã được xây dựng.