建安十二年(207年)，曹操為了肅清袁氏殘餘勢力，也為了徹底解決三郡烏桓入塞為害問題，決定遠征烏桓。漢末，遼西、遼東、右北平三郡烏桓結合，是為三郡烏桓，其首領為遼西部的蹋頓。三郡烏桓與袁氏關係一直很好，並屢次侵擾邊境，擄掠人口財物。
這年五月，曹操親率大軍到達無終(今薊縣)。時正雨季，道路積水，「淺不通車馬，深不載舟船」。曹操從無終人田疇之議，改從一條久已斷絕，但「尚有微徑可尋」的路線進軍。在田疇的引導下，曹操大軍登徐無山(今河北玉田北)，出盧龍塞(今河北喜峰口附近)，「塹山堙谷五百餘里」，直指烏桓老巢柳城(今遼寧朝陽南)。
八月，曹軍進至離柳城不足二百里時，烏桓才發現，於是蹋頓與袁尚、袁熙等人率數萬騎兵迎擊。
二軍相遇，時曹軍輜重在後，「被甲者少，」而烏桓軍軍勢甚盛。曹操登高瞭望，見烏桓軍雖多，但陣勢不整，遂命大將張遼為前鋒，乘烏桓軍陣稍動之機，向烏桓軍發動猛攻。烏桓軍大亂，曹軍陣斬蹋頓，大獲全勝，胡、漢降者二十餘萬，袁尚等人逃奔割據平州的公孫康。這時，有人勸曹操乘勢進擊公孫康，曹操說：「吾方使康斬送尚、熙首，不煩兵也。」遂率軍還師。不久，公孫康果然斬殺袁尚、袁熙，並將其首級獻與曹操。諸將不明所以，曹操說：「彼素畏尚等，吾急之則併力，緩之則自相圖，其勢然也。」於是，曹操攻破三郡烏桓，也徹底肅清了袁氏勢力。
十一月，曹軍至易水，代郡烏丸行單于普富盧、上郡烏丸行單于那樓將其名王來賀。同年郭嘉因水土不服、氣候惡劣、日夜急行操勞過度，在曹操北歸前病逝。歸程途中，據《曹瞞傳》記載：「時寒且旱，二百里無復水，軍又乏食，殺馬數千匹以為糧，鑿地入三十餘丈乃得水。既還，科問前諫者，眾莫知其故，人人皆懼。公皆厚賞之，曰：『孤前行，乘危以徼幸，雖得之，天所佐也，故不可以為常。諸君之諫，萬安之計，是以相賞，後勿難言之。』」