进入十月，两军皆疲，各生厌战之心。沮授遂劝不如趁势言和罢战，先回冀州过冬，待来春再战。袁绍非但不从，反又派车队自冀州往官渡大批运粮，并令猛将淳于琼率兵万人护送，全部屯积在营北四十里乌巢。有道是无事生非，久必生乱，便在此时，袁军谋士许攸族中子侄被审配在冀州查办，并将许攸在冀州贪贿之事写成诉状，遣使前往官渡大营，向袁绍告发。袁绍责骂许攸一番，许攸惧而且恨，遂连夜潜出大营投奔曹操，并献轻兵奇袭乌巢之计。曹操喜出望外，立即付诸实施，令郭嘉协助曹仁守营，亲自率领步骑五千，冒用袁军旗号，乘夜袭击乌巢。袁绍闻报不惊反喜，认为曹操亲自引兵而出，其本营必然空虚，于是一面派蒋济轻骑前往乌巢救援，一面却命大将张郃、高览率重兵前往猛攻曹军大营。沮授力言不可，说曹操必以重兵防守本营，而率轻骑往袭乌巢，宜全力往救乌巢之粮，方为上策。郭图向来与沮授不和，又极力奉承袁绍乃是围魏救赵之计，袁绍遂不听沮授，将其斥退。
先说曹操亲率轻骑来烧乌巢之粮，当夜定更出发，二更便至，挥军急攻乌巢淳于琼大营，一时不能得手。此时后军来报，袁绍部下大将蒋济率援军已经迫近，请求回防。曹操不肯回顾，反而激励军士死战，于是攻破袁军大营，淳于琼死于乱军之中。曹操下令将粮草全数烧毁，然后回战袁军，再将蒋济斩杀。曹操得胜返兵，回救大营，此时方才四更天气，借着烈火高炽，正好行兵。张郃、高览二将正在拼力攻打曹营，抬头见北面火起，已知乌巢被破，心中大慌。而前面曹营攻打不下，后面烧粮之军又来，对自己形成夹击之势，进退维谷，只得率部投降曹操，并求为先锋，带领曹军返攻袁绍大营。袁军见自家阵营内部分裂，十万大兵均无战心，崩溃而逃，如汤泼雪。袁绍长叹一声，仅带八百骑兵，仓惶退回河北。
此时天光大亮，红日喷薄而出。曹军大获全胜，理应乘势渡河追杀，但因河北兵马虽败，兀自数倍于己，曹操于是心下犹豫，不敢十分追逼。正欲收兵回营，忽见西方沿河驰来一支人马，皆是精骑，尘土扬天，遮天蔽日。不一时来至近前，已看清旗号，为首之将竟是曹洪——闻说主公与袁绍大战官渡，带兵自关中来援。曹操大喜，遂与曹洪合兵一处，踏冰过河追击袁军，一路斩首七万余级，尽获袁军辎重，图书珍宝无数。只是跑了袁绍及部从八百骑，未曾追及。曹操便令回军南岸大营，亲自清点袁绍书信，见有许多署有部下姓字，心知必是与袁绍通谋。郭嘉便请拆视其书，按名治罪，曹操却令尽行烧之，并当众说道：“以袁绍之强，孤犹不能自保，而况众人乎！”众官无不感佩，誓死效忠。此时张辽活捉袁绍行军司马沮授，送往大营。曹操急出大帐亲解其缚，设宴相请，命郭嘉等心腹谋士相陪。但沮授只是虚与委蛇，宴罢便欲盗马逃回河北，被巡营军士执回中军。曹操只得杀之，以全其忠义。