随后，袁绍将目光投向青州，派长子袁谭率军攻略青州，袁谭击败青州黄巾与地方势力，逐渐控制了青州大部，袁绍遂以袁谭为青州刺史。
而袁绍与公孙瓒的争斗，成为其统一河北的关键之战。公孙瓒本为幽州牧刘虞部下，因击败乌桓而声名大振，后与刘虞反目，杀刘虞而据有幽州，其军事实力强悍，麾下有“白马义从”，为当时天下精锐骑兵。
初平三年（公元192年），袁绍与公孙瓒战于界桥，公孙瓒以数万大军列阵，令白马义从为先锋，袁绍令麴义率八百先登死士为前锋，以强弩千张为后盾，麴义久居凉州，晓习羌斗，待公孙瓒军至，伏兵突发，强弩齐发，白马义从大败，公孙瓒军溃逃，麴义追至界桥，斩公孙瓒所置冀州刺史严纲，获其甲首千余级。
界桥之战，袁绍以少胜多，大败公孙瓒的精锐之师，扭转了河北的战略格局。
此后，袁绍与公孙瓒又先后战于龙凑、巨马水，互有胜负，双方相持数年。建安三年（公元198年），袁绍率大军进攻公孙瓒，围其于易京，公孙瓒筑易京楼，坚守不出，袁绍军掘地道至其楼下，焚其楼柱，建安四年（公元199年），易京楼塌，公孙瓒见大势已去，遂自焚而死，袁绍遂灭公孙瓒，据有幽州，又派外甥高干率军平定并州，自此，袁绍尽占冀、青、幽、并四州之地，“众数十万”，成为当时天下势力最强大的军阀。
其以审配、逢纪统军事，田丰、荀谌、许攸为谋主，颜良、文丑为将率，声势煊赫，威震天下，此时的袁绍，已成为曹操统一北方最强大的对手。
在袁绍统一河北的过程中，天下局势亦发生了重大变化。建安元年（公元196年），曹操迎汉献帝于许昌，定都许都，“奉天子以令不臣”，获得了政治上的绝对优势。袁绍得知后，悔之不已，当初沮授、郭图也曾劝袁绍迎奉天子，袁绍却因担心天子在侧，自己行事受制，遂不从，错失了这一重要机遇。后袁绍欲令曹操徙天子都鄄城，以就近控制，曹操拒之，袁绍心中不悦，却也无可奈何。
朝廷拜袁绍为太尉，绍以太尉位在曹操大将军之下，耻于居其下，遂辞不受，曹操为安抚袁绍，遂将大将军之位让与袁绍，自为司空，行车骑将军，袁绍这才受之，封邺侯，却仍让侯不受。
建安四年（公元199年），袁绍灭公孙瓒后，便欲率大军南下，进攻许都，夺取汉献帝，与曹操一决雌雄。
其麾下谋臣，对此意见不一，田丰、沮授认为，曹操已据许都，挟天子以令诸侯，政治上占优，且曹操善用兵，军纪严明，不可轻举妄动，建议袁绍“内修农战，外结英雄，简其精锐，分为奇兵，乘虚迭出，以扰河南”，以持久战拖垮曹操，“不及二年，可坐克也”。
而郭图、审配则认为，袁绍坐拥四州之地，兵精粮足，实力远胜曹操，应速战速决，直取许都。袁绍素性刚愎，又自恃势大，遂纳郭图、审配之议，决意率大军南下。田丰恳谏，袁绍怒其沮众，遂将田丰械系狱中，待胜后再治其罪。
建安五年（公元200年），袁绍简精卒十万，骑万匹，以颜良、文丑为先锋，大举南下攻许，官渡之战就此爆发。战前，曹操已派刘备往徐州拒袁术，袁术死，刘备遂杀徐州刺史车胄，举兵反曹，屯兵沛城，与袁绍联合。
曹操深知刘备为心腹之患，遂率大军东征刘备，田丰劝袁绍乘曹操东征，许都空虚之际，率军袭取许都，袁绍却以子疾为由，拒绝了这一建议，田丰举杖击地曰：“夫遭难遇之机，
而以婴儿之病失其会，惜哉！”曹操遂得以迅速击败刘备，收复徐州，刘备奔袁绍，曹操回军官渡，做好了与袁绍决战的准备，袁绍错失了此次绝佳的战机。
袁绍进军黎阳，派颜良攻东郡太守刘延于白马，沮授谏曰：“良性促狭，虽骁勇不可独任。”
袁绍不听，仍令颜良独率大军围白马。曹操率军救白马，采纳荀攸声东击西之策，假装引军趋延津，欲渡河抄袭袁绍后路，袁绍果然分兵西向，曹操则率轻骑急趋白马，距白马十余里时，颜良才仓促应战，曹操派张辽、关羽为先锋，直冲袁军阵，关羽斩颜良于万军之中，袁军溃散，白马之围遂解，曹操迁白马百姓，沿黄河西撤。
颜良战死，袁绍大怒，率大军渡河追击曹操，沮授又谏，认为应留屯延津，分兵官渡，若胜则进，若败则退，袁绍仍不从，沮授遂借口有病，请求辞职，袁绍怀恨，夺其兵权，交与郭图统领。
袁绍派文丑、刘备率五六千骑兵追击曹军，曹操率军屯于南山坡下，令士兵卸鞍放马，丢弃辎重，引诱袁军，袁军见辎重，纷纷抢夺，阵势大乱，曹操率铁骑突然出击，大破袁军，斩文丑，袁军大震，曹操遂回军官渡，官渡之战的前哨战，袁绍连败两阵，折损颜良、文丑两员大将，士气大挫。
建安五年（公元200年）七月，袁绍进军阳武，沮授再次进言，分析双方优劣：“北兵数众而果劲不及南，南谷虚少而货财不及北；南利在于急战，北利在于缓搏。宜徐持久，旷以日月。”建议袁绍打持久战，拖垮缺粮的曹军，袁绍依旧不从，八月，袁绍率军进至官渡，依沙堆扎营，东西数十里，与曹军对峙。此时曹操兵不满万，伤者十二三，兵力远逊于袁绍，却凭借坚固的营垒，坚守不出。
袁绍军构筑楼橹，堆土如山，令士兵登楼以箭俯射曹营，曹营士兵皆持盾蔽身，军心惶恐。曹操遂造霹雳车，发石击毁袁军楼橹，袁军又掘地道攻曹营，曹操则于营内掘长堑以拒之，袁军的数次进攻，皆被曹军击退。双方在官渡相持两三月，曹军兵少粮缺，士卒疲乏，后方百姓亦因赋税沉重，多叛归袁绍，曹操大为忧虑，甚至写信给荀彧，欲撤军回许都，荀彧回信劝曹操，称官渡之战为天下成败之关键，袁军攻势已竭，相持局面即将打破，劝其坚守待变，曹操遂坚定了坚守的决心。
相持期间，袁绍派淳于琼等率万余人护送军粮，屯于离官渡四十里的乌巢，沮授劝袁绍派蒋奇率一军为外援，驻守乌巢外围，以防曹军抄袭，袁绍又不从，错失了保护军粮的最后机会。而此时，袁绍帐下谋臣许攸，因家人在邺城犯事，被审配收捕，许攸大怒，遂叛袁归曹，向曹操献上奇袭乌巢之计，称袁军乌巢粮屯无重兵把守，若率轻骑夜袭，烧其辎重，袁军必不战自溃。
曹操闻计大喜，当即决定亲率步骑五千，伪装成袁军，乘夜从间道直奔乌巢，沿途遇袁军哨卡，皆以“袁公恐曹操钞略后军，遣兵以益备”为由蒙混过关。曹军抵达乌巢后，立即纵火，袁军粮屯火光冲天，淳于琼仓促应战，袁绍得知乌巢被袭，竟不听张合派大军救乌巢的建议，反而认为这是攻占曹军营垒的良机，派张合、高览率重兵攻打曹营，仅派少量骑兵救乌巢。
曹军殊死作战，击败袁军的救援部队，斩杀淳于琼，尽焚袁军粮屯，乌巢的数万车军粮，皆化为灰烬。而张合、高览率大军攻打曹营，曹营防守坚固，久攻不下，得知乌巢粮屯被焚，袁军军心大乱，张合、高览见大势已去，遂率部降曹。袁军听闻乌巢失守，大将降曹，顿时全线崩溃，士兵四散奔逃，袁绍见大势已去，遂与长子袁谭率八百骑渡河逃归冀州，官渡之战，以袁绍的惨败而告终。
曹操追至黄河边，尽收袁军辎重、图书、珍宝，降兵数万，曹操因恨袁军反复，将降兵尽坑之。沮授不及渡河，为曹军所执，曹操素重沮授之才，欲招降之，沮授却一心归袁，后谋逃归袁绍，被曹操所杀。袁绍逃归冀州后，余众皆降，官渡一战，袁绍损兵折将，丧师数十万，其积攒多年的实力，损失殆尽。
袁绍归冀州后，冀州诸城见其大败，纷纷叛离，袁绍遂率军平定叛乱，虽暂时稳住了河北局势，却因官渡之败，忧愤成疾。而此前被袁绍械系狱中田丰，此时狱中有人劝其，称袁绍必因败绩而悟，将重用之，田丰却曰：“公貌宽而内忌，不亮吾忠，而吾数以至言迕之。若胜而喜，必能赦我，战败而怨，内忌将发。今既败矣，吾不望生。”袁绍归邺城后，果然因羞于见田丰，又听郭图进谗言，称田丰在狱中笑其兵败，遂下令杀田丰。袁绍外宽雅有局度，忧喜不形于色，而内多忌害，诛杀田丰，便是其本性的最好体现。
建安七年（公元202年），袁绍自官渡之败后，始终未能从失败的阴影中走出，加之平叛劳累，病情日渐加重，最终忧愤而死，结束了其波澜壮阔又充满遗憾的一生。袁绍生前，钟爱少子袁尚，以其貌美，欲立之为嗣，却始终未明确表态，其麾下谋臣与将领，亦因此分裂，审配、逢纪依附袁尚，辛评、郭图则依附长子袁谭，两派互相倾轧，势同水火。
袁绍死后，审配等遂矫袁绍遗命，奉袁尚为嗣，继承冀州牧之位。袁谭自青州奔丧，见袁尚继位，心中大怒，遂自号车骑将军，屯兵黎阳，与袁尚反目，兄弟二人遂为争夺河北之地，兵戎相见。袁谭不敌袁尚，遂派辛毗向曹操请降，求曹操出兵相助，曹操趁机率大军北上，攻打河北。
此后，袁谭、袁尚兄弟内斗不止，互相攻伐，曹操则坐收渔利，先后击败袁尚、袁谭，建安九年（公元204年），曹操攻破邺城，审配战死，袁尚奔幽州，投其二弟袁熙。建安十年（公元205年），曹操击杀袁谭于南皮，平定青州。建安十二年（公元207年），曹操率军北征乌桓，袁尚、袁熙奔辽东，为辽东太守公孙康所杀，其首级被送与曹操，至此，袁绍所建立的河北基业，彻底覆灭，汝南袁氏，亦随之消亡。
袁绍的一生，可谓是“成也豪族，败也豪族”。其凭借四世三公的家族背景，迅速积累名望，招揽人才，最终统一河北四州，成为汉末最强大的军阀，这是豪族政治在乱世中的一次巅峰体现。然其性格中的致命缺陷，却让其最终走向了失败：其外宽内忌，不能容人，田丰、沮授皆为旷世奇才，屡献奇策，却或被诛杀，或被削权；其谋而不断，刚愎自用，数次错失战机，不听良言，最终在官渡之战中一败涂地；其又纵容豪强，在河北推行豪族本位政策，“使豪强擅恣，亲戚兼并，下民贫弱，代出租赋”，失去了底层百姓的支持，这也成为其失败的根本原因。
《三国志》作者陈寿评价袁绍：“绍外宽雅，有局度，忧喜不形于色，而内多忌害，皆此类也。”
《后汉书》亦评其“性矜愎自高，短于从善，故至于败”。袁绍有争霸天下的资本，却无统一天下的才能，其志大才疏，最终在乱世的博弈中败下阵来，成为曹操统一北方的垫脚石。
然其在汉末乱世中，诛宦官，讨董卓，统一河北，也曾一度威震天下，其一生的兴衰荣辱，也成为汉末乱世的一个缩影，为后世留下了无尽的反思。
袁绍之死，不仅意味着汝南袁氏的覆灭，也标志着汉末豪族政治的衰落，而曹操则凭借其唯才是举的用人政策，安抚百姓的屯田制度，最终统一北方，开启了新的时代。袁绍的一生，是乱世英雄的悲歌，也是志大才疏者的警示，千载之下，读其史，仍令人唏嘘不已。