官渡之战后，曹操逐步蚕食袁绍的势力，建安七年（202年），袁绍病逝，其诸子争权，互相攻伐，曹操趁机率军北上，先后击败袁谭、袁尚、袁熙，平定冀州、青州、幽州、并州。
建安十二年（207年），曹操率军远征乌桓，在白狼山一战中，张辽率先锋大破乌桓，斩杀乌桓单于蹋顿，收降胡、汉二十余万人，彻底肃清了北方的残余势力。至此，曹操基本统一北方，结束了北方数十年的战乱，百姓得以休养生息，北方的经济、文化开始逐步恢复。
远征乌桓途中，曹操东临碣石，作《观沧海》，“东临碣石，以观沧海。水何澹澹，山岛竦峙”，尽显其统一天下的豪情壮志。
建安十三年（208年），曹操废三公，自任丞相，此时的曹操，已占据天下十三州中的九州，势力达到顶峰，遂决意挥师南下，一统南北。
七月，曹操率十余万大军南征荆州，恰逢荆州牧刘表病逝，次子刘琮继任，刘琮怯懦，听闻曹军来势汹汹，不战而降。依附刘表的刘备得知消息后，率十余万军民仓促南撤，曹操亲率精骑五千，昼夜行三百余里，在当阳长坂追上刘备，大破其军，刘备仅率数十骑逃脱。曹操顺利占据荆州，收降荆州水军，声势更盛，随即顺江而下，欲一举歼灭孙权、刘备，统一天下。
面对曹操的大军，孙权与刘备结成联盟，共抗曹操，孙刘联军共约五万人，由周瑜、程普统领，与曹军在赤壁相遇，赤壁之战爆发。
曹军虽势大，却存在诸多致命弱点：曹军多为北方兵士，不习水战，水土不服，军中疾疫流行；
荆州新附水军，人心未附，战斗力低下；曹操连胜之下，骄傲轻敌，不听谋士贾诩暂缓东下的劝告。
周瑜针对曹军战船首尾相连的弱点，采纳黄盖的火攻之计，黄盖假降曹操，率数十艘满载浸油干柴的战船，顺东南风驶向曹军水寨，点燃柴草后，乘小艇撤离，火船乘风闯入曹军船阵，顿时一片火海，迅速延及岸边营屯。
曹军大乱，伤亡惨重，孙刘联军乘势猛攻，曹军大败。
曹操率残部从华容道撤退，途中遇泥泞，垫草过骑，才得以脱身。赤壁之战是曹操一生最大的败仗，也成为中国历史上以弱胜强的经典战例，此战之后，曹操一统南北的计划落空，刘备趁机占据荆州四郡，后又进据益州，孙权则巩固了江东的统治，三国鼎立的格局初步形成。
赤壁战败后，曹操并未消沉，而是吸取教训，调整战略，转而经营北方，同时与孙权、刘备展开长期的对峙。
建安十六年（211年），曹操率军西征关中，击败马超、韩遂等关中联军，平定关中，又先后击败张鲁，占据汉中。在对内治理上，曹操进一步推行屯田制，扩大屯田范围，使北方的农业生产得到进一步恢复；
在用人上，曹操先后三次颁布《求贤令》，明确提出“唯才是举”，打破门第观念，广纳天下贤才；
在文化上，曹操倡导文学，其本人更是建安文学的领袖，与儿子曹丕、曹植并称“三曹”，其诗作慷慨悲凉，反映了汉末的社会现实，抒发了自己的政治抱负，《蒿里行》中“白骨露于野，千里无鸡鸣”，道尽了乱世的凄惨，《龟虽寿》中“老骥伏枥，志在千里；
烈士暮年，壮心不已”，尽显其老当益壮的豪情。曹操的文学成就，不仅开创了建安文风，更对后世文学产生了深远影响。
建安十八年（213年），曹操被封为魏公，加九锡，建魏国，都邺县，魏国拥有冀州十郡之地，置丞相、太尉、御史大夫等百官，此时的曹操，虽为汉臣，却已实际建立了独立的魏国政权。
建安二十一年（216年），曹操进爵为魏王，位在诸侯王之上，奏事不称臣，受诏不拜，此时的曹操，距离皇位仅有一步之遥，然其终其一生，并未篡汉自立。
建安二十四年（219年），关羽率荆州军北伐，水淹七军，擒于禁，斩庞德，威震华夏，曹操一度欲迁都以避其锋芒，后采纳司马懿、蒋济的建议，联合孙权，令吕蒙袭取荆州，关羽败走麦城，为孙权所杀，荆州之争以曹操、孙权的胜利告终。
晚年的曹操，面临着立嗣的难题，其长子曹昂早逝，次子曹丕与三子曹植为主要继承人选。
曹丕沉稳务实，深谙权术，曹植才思敏捷，文采斐然，曹操一度偏爱曹植，欲立其为嗣，然曹植恃才放旷，不拘小节，屡次触犯法度，而曹丕则在司马懿、吴质等谋士的辅佐下，步步为营，逐渐获得曹操的认可。建安二十二年（217年），曹操立曹丕为魏王世子，确定了继承人。
建安二十五年（220年）正月，曹操率军从汉中返回洛阳，不久后病逝，享年六十六岁，遗令“天下尚未安定，未得遵古也。葬毕，皆除服。其将兵屯戍者，皆不得离屯部。
有司各率乃职。敛以时服，葬于邺之西冈上，与西门豹祠相近，无藏金玉珍宝”。
曹操的遗令，尽显其务实的性格，一生征战，至死仍心系天下。同年十月，曹丕代汉称帝，建立曹魏政权，追尊曹操为武皇帝，庙号太祖，史称魏武帝。
曹操的一生，身处东汉末年的乱世，从一个洛阳北部尉起步，凭借自己的雄才大略，扫平北方群雄，统一北方，结束了北方数十年的战乱，让百姓得以休养生息。他推行屯田制，奠定了北方的经济基础；
唯才是举，打破了门第限制，招揽了大批人才；他的文学成就，开创了建安文风，为中国文学史留下了浓墨重彩的一笔。
虽“挟天子以令诸侯”，被后世诟病为“奸雄”，但他终其一生未篡汉自立，始终以汉臣自居，正如其在《让县自明本志令》中所言：
“设使国家无有孤，不知当几人称帝，几人称王。”这句话虽有自夸之嫌，却也道出了实情，若无曹操，东汉末年的乱世恐将更加漫长。
陈寿在《三国志》中对曹操的评价，是对其一生最客观的总结：
“太祖运筹演谋，鞭挞宇内，揽申、商之法术，该韩、白之奇策，官方授材，各因其器，矫情任算，不念旧恶，终能总御皇机，克成洪业者，惟其明略最优也。
抑可谓非常之人，超世之杰矣。”曹操的一生，是英雄的一生，是乱世中缔造传奇的一生，他的功过是非，历经千年争论，却始终无法掩盖其作为一代雄杰的光芒，他的故事，也成为中国历史上永不褪色的经典。