曹操在乌巢闹腾这么大动静，官渡大营的袁绍不可能不知道。
事情紧急，袁绍立即分兵派将，考虑到乌巢距大营有四十里，派步兵增援，时间上来不及，等步兵赶到恐怕粮食早烧得一粒不剩了，于是，袁绍把手下凡是能调动的骑兵全都召集起来，紧急增援乌巢，骑兵速度快，不多时便可赶到战场，曹操正与淳于琼部激战，援军正可趁势前后夹击偷袭粮仓的曹军。
至于步兵，行动速度慢，不适合长途奔袭，但袁绍自用主张，袁绍紧急集合步兵主力，派大将张颌、高览率领，进攻曹军官渡大营，一来可以起到围魏救赵的作用，给曹军制造压力；二来，一旦攻破曹操大营，就算曹操偷袭乌巢成功也挽回不了败局。
危急时刻，袁绍临危不乱，从容指挥，发挥骑兵速度快机动性强的优势去救乌巢，派攻坚能力强的步兵去攻曹军大营，分工合理，部署得当，这已经是当时袁绍所能做的最好选择。
当曹操率军与淳于琼部在乌巢激战正酣时，袁绍派出的骑兵一路飞驰放佛从天而降的神兵，局势瞬间发生逆转，原本气势如虹占尽优势的曹军被赶来增援的袁绍轻骑兵与淳于琼部两面夹击，陷入腹背受敌的窘境。
到目前为止，袁绍的决策行动可圈可点，袁绍迅速派出骑兵火速增援，大大出乎曹操意料，曹操想到袁绍一会派兵，但没想到来的这么快。
正在激战的曹军发现了背后的滚滚烟尘，以及随后出现的袁军骑兵，部下向曹操报告，其实，根本用不着，曹操早就看见了。部将建议分兵抵挡，但曹操拒绝了，本来就是以少打多，仅仅淳于琼就一万人，分兵的结果只能被各个击破，五千人共赴黄泉。事到如今，只有豁出去拼了，曹操命令：全力进攻，等敌人到背后再说。
曹操带头冲入敌阵，主帅身先士卒，部下深受鼓舞，随之发起冲锋，与袁军展开殊死战斗。
混战中，淳于琼被曹军斩杀，与他一起战死的还有部将眭元进、骑兵主将韩莒子、吕威横、赵睿等，主将一死，部队失去指挥，随即崩溃，四散奔逃。
淳于琼部全军覆没，曹操令人割下袁军士兵的耳朵、鼻子，拿着血淋淋的刚从死人身上割下的五官给袁军援兵欣赏，如此重口味的恐怖艺术令袁军心惊胆战，斗志瞬间跌至冰点。
看着浑身是血的曹军向自己杀来，袁军骑兵本能地选择了逃跑，乌巢就这么完了，袁绍大军的粮草在冲天大火中付之一炬。
袁绍听说淳于琼遭袭，开始并不以为然，对儿子袁谭说：“即使曹操能攻破淳于琼，我攻破他的大营，胜的仍然是我们。”
袁绍派大将张郃、高览进攻曹操官渡大营，张郃深知曹军营寨坚固，对曹操说：“曹操率精兵攻淳于琼，淳于琼恐难以抵抗，一旦乌巢粮草有失，我们危矣。末将愿带兵去救。”但袁绍手下的谋士郭图等人坚持让张郃攻曹营。张郃大怒：“曹操营寨坚固，数月都未能攻下，这么短的时间如何攻得下来，如乌巢不报，大事去矣。”但军令如山，必须服从，张郃带着怨气去攻坚固设防的曹营，结果可想而知。
当乌巢战败，粮草被烧的消息传来，张郃、高览知道大势已去，张郃倒也干脆也不回去复命了，跟高览火线投敌，直接降了留守大营的曹洪，刚刚还在攻营，这会儿又来投降，曹洪有点反应不过来，好在荀攸在场，劝道：“张郃河北名将，因遭受排挤前来投奔，这是真心归顺，将军不要怀疑，赶快开门迎接。”曹洪这才打开营门放张郃进来，张郃就此归顺曹操，曹操的最后一位五虎上将到位，人数终于凑齐。
乌巢被烧，张郃反水，袁军全线崩溃。袁军主力全都挤到官渡一耦之地，如此布阵，打仗时人数优势发挥不出，逃跑时几万人挤在一个出口跑不快，打又打不过，跑又跑不了。
袁绍只带了八百骑兵逃回北方，主力尽数被奸，七万袁军被俘。随军辎重、名贵字画、珍宝也都成了曹军的战利品。
曹军经此恶战也损兵折将，只有数万人马的曹军，却要看守七万俘虏，曹操担心如此多的俘虏，一旦有变，难以控制，曹操经过反复思虑，最后还是下令将七万战俘全部坑杀。
袁军渡过黄河深入敌境作战，因对当地地形环境不熟 很容易遭敌袭击，而辎重部队往往战力薄弱一击既溃，败兵逃跑势必冲击全军 打击士气 很容易造成全军溃败。这也是田丰 沮授强烈反对渡河作战的原因 因为一旦失败 无法撤退就会全军覆没，而结果也是如此。
退到黄河边上 由于黄河宽阔 在河上无法架设浮桥 只能用船只摆渡，数万大军根本无法在短期内过黄河当时全军乱作一团。主帅出逃，群龙无首：欲战，军心涣散、士兵各自逃亡，已经难以收拢部队，进行有组织的抵抗，各级将校要么随袁氏父子北逃，要么只顾自己逃命，即使有人想抵抗，也控制不了部队，想逃却四下无路，只能投降。
这就是官渡之战曹操能轻易俘获七万袁军的原因，曹操坑杀七万降卒，出于无奈，也因为害怕，当时曹操自己也没粮，而投降的人又太多，人数已经超出自己部队。这些人一旦失去控制，将给曹操带来难以预测的麻烦，但杀降不祥，曹操此举仍过于残暴。
官渡战役双方实际参战兵力：整个战役，曹军实际参战兵力约为三万人。它们是分期投入作战的：
第一阶段在官渡参战的曹军为约二万；
战役相持阶段和后期，曹军战役预备队曹仁军五千投入战斗，增援南线的曹洪军四千和右翼的掩护部队张绣军五千。
曹操认为右翼距袁军较远，而且北有鄄城、东有琅琊等部队防守，威胁较小，故抽调其主力投入主战场；而南线暂时解除威胁后，也及时抽调兵力投入主战场。这个阶段曹军在官渡参战的兵力达到三万。
曹操在战役最困难的时期投入预备队起到了关键作用。
左翼掩护部队夏侯惇军无参加作战的记载，估计没有直接参加官渡作战。原因有三：
第一，夏侯惇防守的孟津和敖仓极为重要：孟津为河水上重要渡口，如被袁军占领，袁军很容易以大部队迂回威胁许县曹军大本营。而敖仓是曹军最大的粮仓，对于粮食非常困难的曹操来讲，那决不能有任何闪失。
第二，夏侯惇的防地隔河与袁军相对，中间没有缓冲地带，将其抽调到其它地区很危险。
第三，孟津距官渡四百里，不能很快进行增援（右翼陈留距官渡只有一百里，部队）。
袁军的参战兵力：前军、中军全部参战；左右两军也基本全部参战，只有后军以及运输部队没有参战。实际参战兵力超过十万。
此战之后，袁绍一蹶不振，后病死，曹操又经过数次战役，历经7年，终于全部消灭了袁绍军事集团，占领了北方四州，为统一中国北方奠定了基础。
认为曹军以一万对抗袁军十万；过于夸大曹操的能力，而还有人说曹军参战七万之多。这都不正确。
那些觉得袁军战斗力差，曹操胜之平常。其实不然，袁军乃北方精锐，当时公孙瓒的部队皆燕、代之士，骁勇悍战——尤以骑兵、弩兵为主。界桥之战，公孙瓒以一万多骑兵用于冲锋（其中精锐白马义从约四千）。而袁军能将如此凶悍的部队击溃，实力不弱。
当时许多将领都觉得偷袭乌巢过于危险，只有荀攸、贾诩力劝曹操出击。由于曹操中军只有一万余人，多留兵则攻击乌巢兵力不足，少留兵可能被袁绍反击大营，结果曹操仅带五千步骑出击乌巢。深入敌后八十里，如偷袭不成，极有可能被袁军切断而全军覆没。淳于琼乃袁绍账下大将（史书记载淳于琼很清醒：当时曹军于深夜进行攻击，由于无法判断敌军兵力多少，淳于琼选择坚守大营，以静制动。待天明后，发现曹军兵力不多，才出营与曹军激战，只不过在激战中被曹军猛将乐进杀死），其部队在乌巢一直与曹操精锐血战，最后统兵大将全部阵亡（包括淳于琼、睦元进等五名将军，没有将领逃跑），袁军才溃败。
袁绍大营也派骑兵前来增援夹击。可以说乌巢偷袭战，对曹操真是非常惊险。袁绍认为曹操孤注一掷去偷袭乌巢，以乌巢远在后方且有重兵防御，曹操必率大营主力前往，而此时大营必定空虚，袁绍这才决定以主力趁机攻击曹军大营。
只是袁绍没有想到曹操只带五千兵就敢攻击乌巢，而大营又有曹洪军增援，袁绍这才失败。
淳于琼等人拼命力战，如袁绍派张郃主力夹击曹操，谁胜谁负，还真难以预料，关键在于曹操兵力部署出乎袁绍、郭图意料，才造成袁绍决策失误。曹操置之死地而后生的果决与曹军兵将的勇猛也是决胜的关键。
官渡战役是名副其实的以少胜多之经典战例。
袁绍主力部队被消灭殆尽，虽然他本人侥幸逃过一死，但袁绍自己也清楚，属于他的时代结束了。逃回河北的袁绍见到留守部将蒋义渠说：“我的性命就交给将军了。”
蒋义渠马上把自己的大帐让出请袁绍处理军务。被打散的袁军听说袁绍在蒋义渠营，纷纷归队。袁绍收拾败兵，聚集数万人马，防守黄河北岸，以防曹军渡河，这回轮到袁绍守黄河了。
冀州的一些郡县听说袁绍打了败仗，接连反叛，袁绍虽损兵折将，实力尚存，于是亲自率军平乱，讨平各地叛乱。
官渡战败，袁军损失惨重，元气大伤，袁绍回来不久就病倒了。二年后，抑郁而终。