东郡位于古黄河与济水之间，其中东郡治所濮阳以及范、东阿在古黄河东南岸、古济水西北岸，鄄城在古黄河的东南岸；济北国和泰山郡在兗州的东北部，济北国在古济水的北岸，泰山郡在济北国以南，依托泰山、控驭济水黄河，与青州为邻；再往东南是任城国、山阳郡，境内是鲁中南的低山丘陵地区，有亢父之险，泗水、汶水流过，在这片低山丘陵的东南侧，则是夹在沂山、蒙山与琅邪山、五莲山之间的河谷低地，为青州、徐州、兗州交界之处；兗州除了东北部之外，其他方向则无险可守。《读史方舆纪要》虽称：兗州“据河济之会，控淮泗之交,北阻泰岱,东带琅琊,地大物繁,民殷土沃。用以根柢三楚,囊括三齐;直走宋、卫,长驱陈、许,足以方行于中夏。”但兗州毕竟属于四战之地，其地理位置与青州相似，正如《读史方舆纪要》评价山东时说的那样：“以自守则易弱以亡，以攻人则足以自强而集事”。又指出，占领兗州之人“必悬权而动，所向无前，然后可以拊敌之项背,绝敌之噤喉。若坐拥数城,欲以俟敌之衰敝,未有得免于覆亡者也。”
曹操得到兗州固然是好事，而兗州又要求他必须战斗、战斗、不停地战斗，才能打出一片天地；要想守住这里，则四处漏风，无险可守，只能逐渐衰弱，走向灭亡，因此，在他接任兗州牧后，就采取了积极的进攻策略。他认为黄巾军恃胜而骄，当即决定率军进抵寿张（今山东省东平县西南）以东，打算布设奇兵一举消灭黄巾军。曹操与鲍信二人率领一千多步骑先行来到前线，踏勘阵地，不想突然与黄巾军遭遇，双方遂接战，曹军损失了数百人。鲍信为了保护曹操，殊死搏斗，最终战死在沙场，而曹操也是侥幸逃脱，捡了一条性命。鲍信死时年仅四十一岁。
初战失利后，曹操率军撤退，黄巾军乘胜前进。黄巾军长期作战，并多次取得胜利，军中都是一些熟悉战斗的精兵，而曹操手下大多都是新兵，加上初战告负，全军都非常恐惧。曹操身披铠甲，亲自到各营巡视，安抚鼓励，严明军纪，士气逐渐振作了起来，然后，曹操率军伺机出击，与黄巾军多次交手，慢慢扭转了不利局面。黄巾军给曹操写信说：“过去你当济南相时曾毁坏神坛，禁断淫祀，这种做法与我们黄巾军的差不多，看起来你似乎明白大道，如今却又迷惑了。汉家的气数已尽，黄家将要立为天下之主。这是上天的意思，你个人是无法阻挡的。”曹操见到书信，一一予以斥责，并多次劝说他们投降。然后，曹操不断施展计谋，不分昼夜与黄巾军作战，每次交战，曹军都有所收获，黄巾军遂退去了。曹操悬赏寻找鲍信的尸体，却一直没有找到，就让人刻了一个鲍信的木头人像，曹操亲自祭奠、哭拜。东汉朝廷任命金尚为兗州刺史，金尚将要上任，曹操率军迎头痛击，金尚不敌，只好逃到了袁术那里。《典略》称：“元休名尚，京兆人也。尚与同郡韦休甫、第五文休俱著名，号为三休”。陶渊明《群辅录》引《三辅决录》称：“孝廉杜陵金敞，字元休。上计掾长陵第五巡，字文休。上计掾杜陵韦端，字甫休。同郡齐名，时人谓之京兆三休。”金尚，或应为金敞。据《后汉术·袁绍传》称：建安元年，袁绍曾上书称：“黄巾十万焚烧青、兖，黑山、张杨蹈藉冀域。臣辄承制以议郎曹操权领兖州牧。”可见，在陈宫、鲍信等人推举曹操以后，曹操又取得了袁绍的同意和任命。
经过一段时间的休整，曹操率军跟踪追击黄巾军，一直追到济北国。同年冬天，走投无路的黄巾军在济北国全部投降，曹操收降三十余万黄巾军将士，随军家眷一百余万人，曹操将其中的精锐士兵编入军中，号称青州兵。
有了地盘，又有了军队，自此，曹操实力大增，但是，地盘和军队都会得而复失。如何立于不败之地，人才是关键，因此，在曹操担任兗州牧后，就开始寻找能够帮助他的人才了。在兗州，曹操征辟了当地人程昱和陈留人毛玠。接到曹操的邀请，程昱二话没说就要应征。同乡人问他：“为何刘岱请你，你却不去，曹操请你，你却不再推辞了？”程昱只是笑了笑，没有回答。见到曹操后，曹操非常赏识他，随即任命他为寿张县令。毛玠，字孝先，为陈留平丘（今河南省长垣县西南）人，曾任县吏，为官公道正派。毛玠将要去荆州避难，中途听说刘表政令不明，遂折返回到鲁阳（今河南省鲁阳县）。
曹操在担任东郡太守的数月间，正是袁绍与公孙瓒势力较量的时期。曹操所在的东郡又恰恰位于两大势力的结合部，曹军的军事行动也基本上与袁军是紧密配合的，但自从曹操担任兗州牧、尤其是收降百万青州黄巾军之后，袁曹之间的关系就发生了一丝微妙的变化。过去，曹军只是袁绍手下的一支武装，充其量是一支独立的武装，而如今曹操已经几乎快要赶上袁绍的地位了。曹操担任兗州牧后，就征辟毛玠担任治中从事。毛玠对曹操建议说：“如今，天下分崩离析，君主西迁，百姓流离失所，政府没有一年的存粮，百姓们也没有安居一地的打算，这样下去将难以持久。如今，袁绍、刘表虽然人多势众，但却没有长久的打算，未能强基固本。奉行仁义的军队才能赢得战争的胜利，拥有丰富的财富，才能保住已有的地位。应当尊奉天子，才能号令、打击其他割据势力；还要大力奖励农业生产，储备军需物资，这样一来，才能成就一番霸王之业。”
对于曹操而言，自己的兗州牧虽然有袁绍“承制”任命，但毕竟没有朝廷的正式任命，名不正言不顺。由于献帝并非袁绍所立，袁绍一直对献帝的存在采取一种不想承认的立场，甚至在不久前还想拥立刘虞为帝，与长安的献帝相抗衡。是继续在政治上与袁绍保持高度一致，还是另辟蹊径，与长安朝廷方面发生联络呢？如今，朝廷方面委任的兗州牧金尚就在袁术那里，不管怎样，总是对冒牌兗州牧曹操是一个不小的威胁，因此，取得朝廷的认可就成了曹操的当务之急。于是，曹操接受了毛玠的建议，遂派使者前往河内，与河内太守张扬接触，想取道河内前往长安，但张扬却不同意。
曹操此举也显示了他逐渐脱离袁绍、实现单飞的倾向。