十月，袁绍又派车运送粮草，让淳于琼等将领带着一万多人护送，在袁绍大营北边四十里处宿营。沮授建议：“应该派蒋奇另外带一支军队在外面巡逻，防止曹操偷袭。”袁绍不听。许攸也献计：“曹操兵力少，还全部用来抵挡我们，许都留守的人肯定空虚。如果派轻骑兵连夜偷袭，一定能拿下许都。拿下许都，我们就奉迎天子讨伐曹操，他必败无疑；就算许都没攻破，也能让曹操首尾难顾，一样能打败他。”袁绍还是不听，坚持说：“我一定要先打败曹操！”
正巧这时许攸家里有人犯法，被审配抓了起来。许攸又气又急，干脆叛逃到曹操这边。曹操听说许攸来了，鞋都来不及穿就跑出去迎接，拍着手大笑：“子卿（许攸字）大老远赶来，我的大事成了！”坐下后，许攸问：“袁绍兵力雄厚，你打算怎么应对？现在还有多少粮草？”曹操先是忽悠：“还能撑一年。”许攸不信：“别骗我，说实话！”曹操又说：“半年。”许攸急了：“你不想打败袁绍了？怎么还不说实话！”曹操这才坦白：“刚才开玩笑的，其实只能撑一个月，这可怎么办？”许攸说：“你孤军坚守，外无援兵，粮草又快没了，已经到了生死关头。袁绍有一万多车粮草，屯在故市、乌巢，那里防守松懈。你派轻骑兵去偷袭，打他个措手不及，烧掉粮草，不出三天，袁绍必败！”
曹操大喜，留下曹洪、荀攸守营，亲自率领五千步兵、骑兵出发。士兵们打着袁绍军队的旗帜，嘴里衔着枚防止出声，给马嘴绑上防止嘶鸣，趁着夜色从小路出发，每人抱着一捆柴草。路上遇到袁绍士兵盘问，就说：“袁公担心曹操偷袭后方，派我们来加强防备。”对方信以为真，也不怀疑。到了乌巢，曹军立刻包围营地，四处放火，营中顿时乱作一团。
天亮后，淳于琼等人见曹操兵少，便出营列阵。曹操发起猛攻，淳于琼抵挡不住，退回营内坚守。袁绍听说曹操攻打乌巢，对儿子袁谭说：“就算曹操攻破乌巢，我只要拿下他的大营，他就无处可逃！”于是派高览、张合等人攻打曹营。张合急劝：“曹公派的是精兵，肯定能攻破淳于琼他们。乌巢要是丢了，咱们就全完了，得赶紧去救！”郭图却坚持要攻打曹营。张合说：“曹营防守坚固，肯定攻不下来。要是淳于琼被抓，我们都得当俘虏！”袁绍不听，只派少量骑兵救援乌巢，却用重兵攻打曹营，结果久攻不下。
袁绍的骑兵快到乌巢时，曹操身边有人急报：“敌军骑兵快到了，分点兵去抵挡吧！”曹操大怒：“等敌人到背后再报告！”曹军将士见主帅如此坚决，都拼死作战，终于大破袁军，斩杀淳于琼等人，烧毁全部粮草，还割下一千多敌军士兵的鼻子，把牛马的嘴唇、舌头割掉，送到袁绍军中示威。袁绍的将士们看到后，全都惊恐不已。
郭图见自己的计策失败，怕被追究责任，反而在袁绍面前诬陷张合：“张合听说我军失败，幸灾乐祸呢！”张合又气又怕，干脆和高览烧毁攻城器械，到曹营投降。曹洪怀疑有诈，不敢接受，荀攸说：“张合的计策不被采用，一气之下才来投奔，有什么可疑的！”曹洪这才接纳他们。
张合、高览投降后，袁绍军中人心大乱，瞬间崩溃。袁绍和袁谭等人戴着头巾，骑着马，带着八百骑兵渡河逃跑。曹操追击不及，缴获了袁绍的全部粮草辎重、文书档案和珍宝。投降的袁军士兵，曹操下令全部活埋，前后共杀掉七万多人。
沮授没来得及和袁绍一起渡河，被曹军俘虏，他大喊：“我不是投降，是被抓住了！”曹操和他有旧交情，迎上去说：“我们分隔两地，断了联系，没想到今天你被我擒住。”沮授说：“是冀州这边决策失误，才导致失败。我智谋、力量都用尽了，被抓也是活该。”曹操劝道：“袁绍没谋略，不听你的计策。如今天下大乱还没平定，我想和你一起谋划大业。”沮授却说：“我的叔父、母亲、弟弟的性命都掌握在袁绍手里，如果承蒙您的恩德，让我快点死就是福气。”曹操感叹：“要是早点得到你，平定天下都不在话下。”虽然赦免了沮授，还厚待他，但沮授不久后谋划逃回袁绍那边，曹操只好杀了他。
曹操在袁绍的书信中，发现不少许都官员和军中将领写给袁绍的信，他看都不看，直接全部烧毁，说：“袁绍强大的时候，我都自身难保，何况其他人呢！”
冀州不少城邑纷纷投降曹操。袁绍逃到黎阳北岸，跑进将军蒋义渠的营地，拉着蒋义渠的手说：“我的性命就托付给你了！”蒋义渠让出大帐给袁绍，让他在这里发号施令。士兵们听说袁绍还在，又渐渐聚拢过来。
有人对田丰说：“这下你肯定要被重用了！”田丰摇头：“主公表面宽厚，实则内心猜忌，不相信我的忠诚。我又多次直言劝谏，惹他不高兴。如果他打了胜仗，心情好，或许还能赦免我；现在打了败仗，心里窝火，猜忌之心肯定爆发，我是活不成了。”袁绍的士兵们都捶胸痛