建安十二年夏五月，曹操大军抵达无终。然而到了秋七月，天降大雨，道路被洪水淹没，沿海的道路无法通行。就在曹操为此事发愁时，田畴主动请命担任向导，曹操欣然应允。在田畴的带领下，曹军从卢龙塞出发。塞外的道路早已断绝，无法通行，曹操便下令开山填谷，硬生生地开辟出一条五百多里的道路。大军先后经过白檀、平冈，穿越鲜卑的王庭，一路向东，直指柳城。
当曹军距离柳城还有二百里时，乌丸才得知消息。袁尚、袁熙与蹋顿、辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之等人，率领数万骑兵前来迎战。八月，曹操大军登上白狼山，突然与乌丸的大军相遇。乌丸军队人数众多，气势汹汹。此时，曹操的辎重部队还在后面，军中身披铠甲的士兵较少，左右将士见状，都十分惊恐。曹操登上高处，观察到乌丸军队阵列不整，当机立断，下令出兵攻击，并任命张辽为先锋。张辽勇猛无比，率领曹军如猛虎下山般冲向乌丸军。在曹军的猛烈攻击下，乌丸军队顿时大乱，全线崩溃。此役，曹操大获全胜，斩杀了蹋顿以及众多有名的王，胡人、汉人投降的多达二十多万。
辽东单于速仆丸以及辽西、右北平的诸多豪强，舍弃了自己的族人，与袁尚、袁熙一起逃往辽东，此时他们身边还有数千骑兵。起初，辽东太守公孙康仗着地处偏远，不肯归服曹操。曹操攻破乌丸后，有人劝说曹操趁机征讨公孙康，这样就能擒获袁尚兄弟。曹操却胸有成竹地说：“我不用派兵，公孙康自然会把袁尚、袁熙的首级送来。”九月，曹操率领大军从柳城返回。（《曹瞒传》记载，当时天气寒冷又干旱，方圆二百里内都没有水源，军队粮食也匮乏，无奈之下，曹操只得下令杀了数千匹马作为军粮，又挖地三十多丈才找到水。大军返回后，曹操询问之前劝谏他不要出征的人，众人都不知道曹操的意图，心里十分害怕。曹操却重重地奖赏了他们，说道：“我这次出征，是冒着危险去碰运气，虽然取得了胜利，但这是上天在帮助我，不能把这种情况当作常态。你们的劝谏，才是万全之策，所以我要奖赏你们，以后有什么想法不要有所顾虑，尽管说出来。” ）果不其然，公孙康斩杀了袁尚、袁熙以及速仆丸等人，并将他们的首级传送过来。
众将领对此感到十分疑惑，有人问道：“您刚一撤兵，公孙康就斩杀袁尚、袁熙并送来首级，这是为什么呢？”曹操笑着解释道：“公孙康向来忌惮袁尚等人，我若是逼得太紧，他们就会联合起来抵抗；我放松一些，他们就会自相残杀，这是形势所决定的。”十一月，曹操大军抵达易水，代郡乌丸代理单于普富卢、上郡乌丸代理单于那楼，带着他们的名王前来祝贺曹操胜利归来。
建安十三年春正月，曹操回到邺城，下令修建玄武池，用来训练水军。（“肄”，读音为以四反。《三苍》解释：“肄，就是练习的意思。” ）这一年，汉朝废除三公官职，设置丞相、御史大夫。夏六月，曹操被任命为丞相。（《献帝起居注》记载，汉献帝派太常徐璆前往授予曹操印绶。御史大夫不再兼任中丞，设置长史一人。《先贤行状》记载：徐璆字孟玉，是广陵人。他年轻时品行高洁，在朝堂上刚正不阿。他先后担任过任城、汝南、东海三郡的太守，所到之处，教化大行。后来他被朝廷征召，在返回途中被袁术劫持。袁术称帝后，想要授予他上公之位，徐璆始终不屈从。袁术死后，徐璆得到袁术的玉玺，将其送回汉朝，被任命为卫尉、太常。曹操担任丞相时，曾想把这个职位让给徐璆。 ）
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