袁绍仍然不从，他命令部队逐渐逼近官渡，紧靠曹军扎营，军营东西绵延数十里。九月，两军会战，曹军失利，躲进营垒中坚壁不出。
袁绍修筑壁楼，堆起土山，从高处发箭射击曹营。箭如雨下，曹营中的将士只得蒙着盾牌走路，但壁楼、土山不久就被曹军的“霹雳车”轰毁了。
袁绍又暗凿通往曹营的地道，曹军则在营中挖掘长沟进行防御。袁军的运粮车还遭到曹军的袭击，两军相持了一百多天，河南老百姓困苦不堪，很多人背叛曹军，响应袁军。
相持期间，袁绍先后派刘备、韩荀袭击许都，但是皆被曹仁击败，因此不再分兵复出。然而，这种有利于袁绍的形势却突然急转直下。
这时，袁绍派淳于琼带领万余人北迎运粮车，沮授特意提醒说：“可增派蒋奇领一支人马在淳于琼外侧，以防止曹操偷袭。”
而谋士许攸则提出乘曹操倾军而出，轻骑奔袭许都的建议。然而，袁绍因之前韩荀和刘备袭击许都失败，不想再分兵冒险。
事有凑巧，在邺城的许攸家族中有人犯法，被留守的审配抓进监狱，许攸大为不满，于是投奔曹操。在许攸的谋划下，曹操亲自领兵赴乌巢，袭击淳于琼。
当曹操奔袭乌巢之时，袁军部将张合主张救淳于琼，他对袁绍说：
“曹操亲自出马，必然得手，那么事情就无可挽回了。”
郭图却别出心裁地说：“不如乘此时发兵去进攻曹军大营。”
袁绍认为郭图说得对，只要攻拔曹营，曹操就无家可归了，于是派高览、张合率领重兵攻击曹营，而只派轻骑救援乌巢。
高览、张合攻营不下，乌巢大败的消息已经传来了，二将无心恋战，竟自向曹军投降。袁绍全军大乱，一下子全垮了。
慌忙之中，袁绍及长子袁谭各单骑逃遁，直奔黄河渡口，随后又逃来一群骑兵，约有八百骑，渡河至黎阳北岸。
这一仗袁绍损失七、八万人，武器、辎重、图书、珍宝无数。当他跌跌撞撞走进部下蒋义渠营帐中时，握着蒋义渠的手，无比伤感地说：
“我把自己的脑袋都交给你了。”
官渡败后，有人对田丰说：“你必将受重用了。”
田丰平静地回答说：“如出兵打胜了，我一定能够安全。如今兵败，我必死无疑。”
果然，袁绍回到邺城，说：“我当初不听田丰之言，今天真的要让他笑话了。”于是下令杀了他。
回到冀州后，袁绍陆续平定了各处的叛乱。不久，袁绍发病，死于建安七年（202年）夏五月二十八日。由于袁绍平素有德政，去世之时，河北百姓没有不悲痛的，市里巷间挥洒着眼泪，如同失去亲人一般。审配等矫袁绍遗命，奉袁尚为嗣。
袁谭、袁尚为了争权相攻，被曹操各个击破。