建安九年春正月，曹親率大軍渡過黃河。為保障軍隊的糧草運輸暢通無阻，他下令截斷淇水，使其流白，功開闢了一條新的糧道。

二月，袁尚再次對袁譚發起進攻，留下蘇由、審配鎮守鄴城。曹得知消息後，即刻率軍向鄴城進發。當曹軍行進到洹水時，蘇由見曹勢大，深知抵抗無益，便選擇歸降曹。曹大軍順利抵達鄴城後，立刻展開了攻城行。曹軍築起土山，挖掘地道，試圖突破鄴城的防。此時，武安縣長尹楷屯兵在城，負責保障上黨地區與鄴城之間的糧道暢通。

夏四月，曹留下曹洪繼續攻打鄴城，自己則親自率領銳部隊出擊尹楷。經過一番激烈的戰鬥，曹功擊敗尹楷，隨後凱旋而歸。袁尚的部將沮鵠據守邯鄲，曹自然不會放過這個戰略要地，揮師攻打邯鄲。在曹的猛烈攻勢下，沮鵠難以抵擋，邯鄲城被攻破。易縣令韓范、涉縣長梁岐見曹軍勢如破竹，為求自保，同時也為百姓考慮，舉縣向曹投降。曹為了嘉獎他們，賜予二人關侯的爵位。

五月，曹見土山、地道的攻城策略進展緩慢，於是改變戰，他下令毀掉土山和地道，轉而在鄴城周圍挖掘深，築起堅固的壁壘，並引來漳水灌城中。這一舉措使得鄴城陷絕境，城中糧食短缺，死者超過半數，百姓苦不堪言。

秋七月，袁尚得知鄴城危急，趕忙回軍救援。曹的將領們見袁尚的軍隊士氣正盛，都認為“這是一支急於回援的軍隊，人人都會為了求生而拚死作戰，我們不如暫且避開他們的鋒芒”。曹卻冷靜分析道：“如果袁尚從大道前來，我們確實應當避其鋒芒；但如果他沿着西山而來，那他就註定要被我們擒獲了。”果然，袁尚選擇沿着西山進軍，並在滏水邊上安營紮寨。（《曹瞞傳》記載，曹派遣多部偵察兵前後探查，偵察兵們回來都報告說：“袁尚肯定是從西道而來，已經到邯鄲了。”曹聽後大喜，召集眾將說道：“我已經拿下冀州了，你們知道嗎？”眾將都一臉疑地回答：“不知道。”曹笑着說：“你們很快就會看到了。”）當天夜裡，袁尚派兵試圖突破曹的包圍圈，曹早有防備，指揮軍隊迎頭痛擊，袁尚的軍隊被打得大敗而逃。曹乘勝追擊，將袁尚的營地團團圍住。還沒等包圍圈完全合攏，袁尚就到大勢已去，心中恐懼萬分，他急忙派原豫州刺史夔和陳琳向曹乞降。曹深知袁尚反覆無常，這次乞降或許只是緩兵之計，於是果斷拒絕了他的請求，並加了對袁尚的圍攻。袁尚見投降不，趁夜率領殘軍逃走，前往祁山尋求庇護。曹怎會輕易放過他，立即率軍追擊。在追擊過程中，袁尚的部將馬延、張顗等人臨陣倒戈，向曹投降。袁尚的軍隊頓時軍心大，全面潰敗，袁尚無奈之下，只能逃往中山。曹大獲全勝，繳獲了袁尚的全部輜重資，還得到了他的印綬、符節和斧鉞。曹讓袁尚的降兵拿着這些品給城中袁尚的家人看，城中守軍得知袁尚戰敗，士氣瞬間崩潰，人心惶惶。

八月，審配兄長的兒子審榮在夜裡打開他所把守的鄴城東門，放曹軍城。審配得知後，倉促率軍迎戰，但此時曹軍士氣正盛，審配本抵擋不住，最終戰敗被擒。曹為了徹底剷除袁氏勢力，下令將審配斬首，至此，鄴城被曹平定。曹來到袁紹墓前，親自祭祀。他想起曾經與袁紹一同起兵的過往，心中慨萬千，不痛哭流涕。祭祀完袁紹後，曹又前往袁紹家中，問袁紹的妻子，歸還了袁家的家人和寶，並賞賜給他們各種綢、棉絮，還供給他們糧食，讓他們能夠維持生計。（孫盛對此評論道：從前先王施行獎賞和懲罰，目的是為了懲惡揚善，讓後人永遠以此為鑒。袁紹趁着世道艱難危急，心懷叛逆的謀，對上企圖謀取皇位，對下擾國家法紀。按照古代的制度，對於叛逆之臣的墳墓應當予以剷除，以示懲戒。然而曹卻在逆臣的墓前極盡哀傷，還對袁紹貪婪的家族施加恩惠，這樣的為政之道，實在是有所失誤。藏對友人的怨恨，這是古代賢哲所不齒的行為；在曾經投宿過的館舍解下驂馬錶示哀悼，也應當是真心實意，不能虛假意地流淚。如果道不同、誼已絕，又有什麼值得哭泣的呢？從前漢高祖在對待項羽的問題上有所失誤，如今魏武帝曹在這件事上也犯了同樣的錯誤，這難道不是智者千慮中的一失嗎？）

當初，袁紹與曹一同起兵之時，袁紹曾問曹：“如果事進展不順利，我們可以佔據哪些地方作為基呢？”曹反問他：“你心裡是怎麼想的呢？”袁紹回答道：“我打算向南佔據黃河天險，向北依靠燕、代之地的險阻，再兼并戎狄的兵力，然後向南進軍，爭奪天下，你覺得這樣可行嗎？”曹則自信滿滿地說：“我依靠天下人的智慧和力量，用正確的方法來駕馭他們，無論佔據哪裡，都能就大業。”（《傅子》中還記載，曹又說：“商湯和周武王就王業，難道是依靠相同的土地嗎？如果僅僅依靠險要的地勢作為資本，就無法據時機靈活應變了。”）

九月，曹頒布命令：“河北地區的百姓遭了袁氏統治的苦難，今年一律免除租賦！”同時，他還加重了對豪強兼并土地行為的懲力度。這一系列舉措深得民心，百姓們得知後，無不歡欣鼓舞。（《魏書》記載了曹的命令：“無論是治理國家還是管理家族，不怕財富，就怕分配不均；不怕貧窮，就怕社會不安定。袁氏統治的時候，縱容豪強肆意妄為，他們的親戚大量兼并土地。底層的百姓貧困弱小，卻還要代他們繳納租賦，百姓們即便變賣全部家產，也難以滿足賦稅的要求。審配的宗族，甚至還藏匿罪犯，為逃犯的庇護所。在這樣的況下，還想讓百姓親近歸附，軍隊強大，怎麼可能呢？現在規定，每畝土地徵收田租四升，每戶繳納絹二匹、綿二斤，除此之外，其他任何賦稅都不得擅自徵收。各郡國的太守、國相要嚴格檢查，不能讓豪強瞞土地、逃避賦稅，而讓弱小的百姓承過重的負擔。”）

此時，漢獻帝任命曹兼任冀州牧，曹便將兗州牧的職位歸還朝廷。在曹圍困鄴城期間，袁譚趁機攻取了甘陵、安平、海、河間等地。袁尚戰敗逃往中山後，袁譚又對他發起進攻。袁尚抵擋不住，只能逃往故安，袁譚趁機兼并了他的部眾。曹得知袁譚違背先前的約定，十分憤怒，他給袁譚寫了一封信，嚴厲斥責他背信棄義的行為，並宣布與袁譚斷絕婚約，讓袁譚把兒送回。做完這些後，曹再次率軍向袁譚進軍。袁譚得知曹來攻，心中十分害怕，他放棄平原城，逃往南皮，據城堅守。十二月，曹率軍進平原，順利平定了平原周圍的各個縣。

建安十年春正月，曹大軍全力攻打袁譚。戰場上，雙方激戰許久，從清晨一直打到中午，局勢膠着，勝負難分。關鍵時刻，曹親自拿起鼓槌擊鼓助威，激昂的鼓聲瞬間點燃了曹軍的鬥志，士兵們士氣大振，如猛虎般勇向前。在曹的鼓舞下，曹軍勢不可擋，一舉攻破袁譚的防線，功斬殺袁譚，並將其妻子兒一併誅殺，至此，冀州全境被曹平定。（《魏書》記載：曹攻打袁譚時，戰鬥從早到晚都沒有決出勝負，曹親自擂鼓，士兵們到激勵，士氣高昂，很快就攻破了袁譚的陣地。 ）

曹平定冀州後，頒布命令：“凡是曾與袁氏一同作惡的人，只要能改過自新，既往不咎。”同時，他嚴令止百姓私下復仇，並且對喪葬規格進行規範，嚴厚葬之風，一切都以法律為準繩。就在這個月，袁熙的大將焦、張南等人發叛，轉而攻打袁熙和袁尚。袁熙和袁尚抵擋不住，只好逃往三郡烏丸尋求庇護。焦等人則率領所部各縣向曹投降，曹為表彰他們，封他們為列侯。

當初，曹討伐袁譚時，曾下令讓百姓敲碎河冰以便船隻通行，然而部分百姓因畏懼勞役而逃亡。曹得知後，下令不接這些逃亡百姓的投降。不久後，有逃亡的百姓來到軍營門前自首。曹看着他們，無奈地說：“如果放了你們，那便是違背軍令；可要是殺了你們，你們又是主前來自首的。你們還是回去找個地方藏起來吧，千萬別再被吏抓到了。”百姓們聽後，得熱淚盈眶，而後離去。但最終，這些百姓還是被抓到了。