曹操大喜若狂，命曹洪、荀攸留守大营，亲自率领一支步骑兵五千人的混合部队，改用袁绍兵团的旗帜号令，马口衔住木枝，再加绳缚，在夜色掩护下，从小径出发，每人都抱一束木柴；沿途遇有查问，就回答说：“袁公（袁绍）恐怕曹操袭击后勤粮道，派我们加强戒备。”问话的人深信不疑，一切如常。曹操军既到故市、乌巢（均在河南省封丘县西），立即展开包围，乘风纵火，袁绍护粮部队大乱。这时，天色破晓，淳于琼等发现曹操兵力有限，率军出营，曹操即行进攻，淳于琼不敢反击，退回营寨自保，曹操攻击更为猛烈。
袁绍得到消息，对儿子袁谭说：“纵然曹操击破淳于琼，我也击破他的大营，教他无家可归。”命大将高览、张合，执行这项任务。张合说：“曹操率领的全是精锐，一定会攻破淳于琼。淳于琼一旦失败，大势已去，应该先救淳于琼。”但智囊郭图仍坚持攻击曹操大营，张合说：“曹操大营，十分坚固，攻击一定失败。万一淳于琼被擒，我们全体都会成为俘虏。”袁绍只派出轻装备骑兵前往援救淳于琼，而用主力攻击曹操大营，果然不能攻克。
袁绍援军抵达乌巢，曹操左右向曹操报告：“敌骑已经接近，请分军阻击！”曹操大怒说：“等他们到了背后，再告诉我。”于是爆发惨烈决战，曹操士卒死中求生，血肉搏斗，杀声震动天地，大破袁绍兵团，斩淳于琼等，把所有军粮，纵火焚烧。俘虏袁绍军一千余人，割下每个人的鼻子；俘虏的牛马，则割下每头牛马的嘴唇或舌头，然后驱逐他们奔回袁绍大营；袁绍部队官兵，目睹惨象，大为震恐。
郭图对他谋略的失败，十分惭愧，于是向袁绍陷害张合，说：“张合听说失利，十分高兴。”张合既忿又惧，遂跟高览焚毁攻营武器，奔往曹操大营投降。留守大营的曹洪对敌人两位高级将领的投降，惊疑不止，不敢接受。荀攸说：“张合愤怒他的计策不被采用，前来归附，你担心什么？”曹洪才迎接二人入营。
一连串无情的噩耗，使袁绍兵团惊恐震撼，不知所措，霎时间，大营崩溃，官兵四散逃命。袁绍跟袁谭，用丝巾包住头发，率领剩下的八百人骑兵，北渡黄河。曹操追击，已来不及，遂把袁绍大营里的辎重、图书、金银财宝，全部接收。袁绍残余部队向曹操投降，曹操全部坑杀，总计前后，共杀七万余人。
沮授来不及追随袁绍渡河（黄河），被曹操军俘虏，大叫说：“我不是投降，而是被擒。”曹操跟沮授原是老友，亲自迎接他，说：“我们所处的地区不同，遂告隔绝，想不到今天把你捉住。”沮授说：“袁绍不能用良策美计，自取失败的羞辱。我才智不能施展，应该如此下场。”曹操说：“袁绍没有头脑，不用你的谋略。而今天下战乱，仍然没有减少，希望跟你共同磋商。”沮授说：“我的叔父跟弟弟，命脉握在袁绍之手。如果蒙你看重，就请早日杀我，才是我的福气。”曹操叹息说：“我如果早得到你，天下事不必担心！”命把沮授释放，特别厚待。稍后，沮授图谋逃回北方，曹操把他处决。
曹操检查袁绍大营档案，发现首都许县中央政府若干官员，甚至军中若干将领写给袁绍表态的信件，下令全部焚毁（东汉王朝一任帝刘秀在击溃王郎后，曾焚毁类似信件，用以安抚反侧。因为穷查猛究，可能引起暴乱，甚至全盘瓦解。英雄智谋及胸襟，往往相同），说：“面对袁绍的强盛，连我自己都不敢相信可以保全，何况别人？”冀州所属城池，多归降曹操。袁绍逃到黎阳北岸，投奔将领蒋义渠军营，握住蒋义渠的手说：“我把人头交给你了！”蒋义渠立刻离开虎帐，请袁绍上座，发号施令。残兵败将听到袁绍行踪，逐渐集结。
有人告诉囚禁在监狱里的行政官（别驾）田丰说：“你以后一定受到重视！”田丰说：“袁绍外貌似乎很宽厚，但内心恰恰相反，却很猜忌。不会谅解我的一片忠心，只会认为我不断在冒犯他。如果大军胜利，心里高兴，还有赦免我的可能；而今战败，心头恚恨，恼羞成怒，我性命已陷危境。”部队士卒们，都搥胸流泪说：“如果田丰留在军中，必不会失败。”袁绍对逢纪说：“冀州人士，听到我前线失利，都会同情我。只有田丰，从前曾经劝阻，跟其他人不同，使我感到惭愧。”逢纪乘机陷害，说：“田丰得到将军败退的消息，鼓掌大笑，庆幸他的预言实现。”袁绍对他的僚属说：“我不用田丰的计谋，果然被他耻笑。”下令诛杀田丰。
最初，曹操听说田丰没有跟随袁绍大军出征，大喜说：“袁绍一定失败！”等到袁绍军溃散逃走，又说：“开始时袁绍如果用田丰的计谋，结局如何，难以预料。”
审配的两个儿子，被曹操俘虏。袁绍部将孟岱，对袁绍说：“审配位居高官，专权独断，家族旺盛，所统御的军队，战斗力强大；而且两个儿子又在曹操那里，一定心生叛逆。”郭图、辛评也认为如此。袁绍遂任命孟岱当监军官（监军），代替审配，镇守邺城。大军保护总监（护军）逢纪跟审配素有怨恨，袁绍问逢纪的意见，逢纪说：“审配刚烈正直，每每思慕古人忠孝大节，绝不会因为两个儿子落入敌人之手，就有二心，请不要猜疑。”袁绍说：“你不是一向讨厌他呀？”逢纪说：“之前，我跟他的争执，是私人感情，今天的陈述，是国家大事。”袁绍说：“对极！”决定不罢黜审配。审配遂跟逢纪成为好友。
冀州一些背叛的城池，袁绍派军出击，稍稍收复。
袁绍为人，宽厚文雅，很有气度，喜怒从不外露；但刚愎自用，对自己的智能能力，有过高的评估，对正直的、有深度的建议，不能了解采纳，所以归于失败。