曹操命田畴率领他的部众作向导，进入徐无山，凿山填谷，行进五百余里，经过白檀（今河北滦平县东北小城子）、平冈（今辽宁凌源市西南），又穿过鲜卑部落的王庭，向东直指柳城（今辽宁朝阳市）。
距离二百余里时，乌桓人才发现。
袁尚、袁熙与蹋顿及辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之等率领数万骑兵，迎击曹军。

八月，曹操登上白狼山（一名白鹿山，又称白狼堆，今辽宁喀喇沁左翼蒙古族自治县南六十里大阳山），突然遭遇乌桓军。
曹军只是先头部队，人数不多，车辆辎重都在后边，随行将士连身披铠甲的都很少，见乌桓军军力强盛，都感到畏惧，建议等后续部队赶上后，再行攻击。
张辽与曹操登高远望，看到乌桓军队型不整，便力排众议，建议曹操发动突袭。
曹操采纳了张辽的建议，把自己所持的麾授予给张辽暂用，由他指挥先锋部队出战。
《魏武军令》云：“麾前则前，麾后则后，麾左则左，麾右则右。不闻令而擅前后左右者斩。”
曹操将麾临时授予张辽，等于暂时将军队指挥权交给了张辽。
张辽率军突击，大破乌桓军队，临阵斩杀了蹋顿。
乌桓军全线溃败，战死的士兵遍布山野，其余皆降，共有二十余万胡人和汉人投降。
辽东单于速仆丸与袁尚、袁熙带着残存的数千名骑兵，投奔平州（今辽宁辽阳北）公孙康。
白狼山之战，让张辽名声卓著，脱颖而出。
后世也因为白狼山之战而对张辽多有赞誉。
唐朝的昭文馆大学士作诗《登长城赋》，把张辽与卫青、霍去病相提并论，诗曰：“卫青开幕，张辽辟土，校尉嫖姚，将军捕虏。”
有人劝曹操乘势追击，曹操说：“不必再劳师动众了。不久之后，公孙康就会送来袁尚、袁熙的人头。”

九月，曹操率军从柳城班师，一路历尽艰辛。
当时天寒，又遇上大旱，二百里没有水，军队缺乏粮食，只好杀死几千匹战马作为军粮，挖地三十余丈才见到水。
在如此恶劣的环境下，郭嘉因为水土不服，加上日夜急行又操劳过度，患上了疾病。
曹操非常着急，派去探问的人一个接着一个，随时关注他的病情。
但郭嘉日益病重，最终不治身亡，年仅三十八岁。
曹操谋士众多，唯独郭嘉最了解他，两人关系亲密，行则同车，坐则同席，犹如朋友一般。
郭嘉不拘小节，经常做出一些异于常理的举动。
曹操治军严厉，这些行为如果发生在别人身上，估计早就身首异处了，但在偏爱郭嘉的曹操眼里，却变得都不是什么事了。
陈群任司空西曹掾时，就因郭嘉行为上不够检点奏了他一本。
曹操一面表扬陈群检举有功，一面却对郭嘉不闻不问，甚至还暗地里为他这种生活作风表示赞许。
曹操对郭嘉，有句话常常挂在嘴边，那就是：“此乃非常之人，不宜以常理拘之。”
曹操对郭嘉非常信任，每次征战，总是把郭嘉带在自己身边，以便随时请教，见机行事。
郭嘉也确实有过人之处，每逢军国大事，可谓算无遗策。
郭嘉去世后，曹操亲自前去吊丧，对荀攸等人说：“你们诸位的年纪和我是同辈，只有郭奉孝（郭嘉字）年纪最轻。我本打算，待天下战事完毕，还要把身后的事务托附给他，而他却中年早逝，真是天嫉英才啊！”
随即上表，增加郭嘉封邑八百户，连同以前所有，共一千户，追谥贞侯，由他的儿子郭奕继承。

十一月，曹操到达易水，乌桓代郡部落单于普富卢、上郡部落单于那楼都来向曹操祝贺，表示服从。
第二年，即建安十三年（208年）正月，曹操才回到邺城，着手调查以前劝阻他出兵征讨乌桓的人，众人不知道他是什么目的，都心怀畏惧。
结果，曹操对那些劝阻过他出兵的人大加厚赏，对他们说：“我先前出兵，实在危险，虽然侥幸获胜，全是靠上天保佑，不能作为常规。你们的意见，才是万全之计，所以加以赏赐，以后大家要勇于提不同意见啊。”
曹操论功行赏，封田畴为亭侯，封地五百户。
田畴说：“我当初是为刘虞报仇，率众逃亡，我的志愿没有达成，反而以此获利，这不是我的本意。”坚决辞让，不肯接受封爵。
曹操知道田畴是出于真心，同意了他的辞让，没有勉强他。

二袁逃到辽东后，袁尚同袁熙商量说：“我们到了辽东，公孙康必然见我，我一个人就可以为兄长亲手杀了他，以此占领辽东，扩张我们的势力。”
哪知公孙康也想要杀死袁尚、袁熙，好向东汉朝廷邀功。
他预先在马厩中埋伏精兵，请袁尚、袁熙进去。
袁熙起疑，不愿进马厩，被袁尚强拉着一起走了进去。
二人还没来得及入座，伏兵就冲了出来，把他们捉住，让他们坐在结冰的地上。
袁尚冷得直哆嗦，对公孙康说：“我们好歹还没死，这地上也太寒冷了，忍受不了，能给我们坐席吗？”
袁熙看着袁尚，气愤地说：“你的头颅马上就要行万里路了，要席子干什么呢？”
公孙康哈哈大笑，下令斩杀袁尚、袁熙，连同速仆丸的人头一起送给曹操。
曹操封公孙康为襄平侯，授任他为左将军。
有人想起曹操以前说过，公孙康会送来二袁的首级，现在果然应验了，于是问他：“你都已经退军了，公孙康还要杀死袁尚、袁熙，这是为什么呢？”
曹操笑着说：“公孙康一向畏惧袁尚、袁熙，我如果急攻，他们就会合力抵抗，不去攻打他们，他们反而会自相残杀。当时的形势就是这样的。”
他命令把袁尚的头颅悬挂起来示众，并号令三军说：“有敢于哭泣的，处斩！”
牵招为军谋掾，随曹操征讨乌丸，到了柳城，任护乌丸校尉。
此时见了故主首级，牵招十分悲痛，在首级下设祭坛，放声悲哭。
曹操被牵招的义气所感动，认为他是忠于故主的义士，不但没有追究他，还推举他为茂才。
田畴因为曾被袁尚征召，也前往吊唁祭奠。
曹操也没追究。
自此，曹操彻底平定北方，统一了黄河流域以北地区。