袁熙、袁尚闻操兵将至，料难抵敌，遂弃了幽州，星夜引兵投奔辽西乌丸。幽州刺史乌桓触，聚众官商议投操。乌桓触曰：“我闻曹公，乃当世英雄，今决议弃袁投曹，有不遵号令者斩！”别驾韩衍悲曰：“我受袁氏厚恩，今主败亡，智不能救，勇不能死，于义缺矣，若再背主降曹，何颜为人耶！”众皆失色。乌桓触曰：“举大事者当秉大义，事之成败不在一人，韩衍既有它志，听其自便。”韩衍洒泪而出。乌桓触出城迎接操军，径往降操。曹操大喜，加其为镇北将军。
忽飞马急报：“乐进、李典、张燕攻打并州，高干扼守壶关口，久攻不下。”曹操乃勒兵前往。建安十一年春，曹操兵至壶关，催军攻打。高干见操兵众，乃命部将守关，自往匈奴搬兵。方入匈奴界，正遇北番左贤王。高干下马，伏地拜曰：“曹操若吞并州，必犯北界，请王子发兵，与干一同破操。”左贤王曰：“我与操无仇，他海内未定，岂会侵犯我界？你欲使我结仇曹操耶？”遂叱退高干。高干无奈回关。
壶口关确为天险，操驱大兵连攻仨月不下。荀攸曰：“不可强攻，须用计取。”操曰：“当用何计？”荀攸曰：“诈降诱敌可也。”操乃令吕旷、吕翔引数十骑，前往诈降。二将马至关下叫曰：“我等本是袁谭旧将，不得已降操，曹操为人诡诈，薄待我等，今还保旧主。”高干心疑，只命二吕上关回话。二将下马入关，谓高干曰：“操兵恃强疏备，今夜劫寨，可一举破操。”高干闻言大喜，当夜令吕旷、吕翔为前部，自引兵数万，前去劫寨。方至操营，忽听杀声震天，伏兵四起。高干心知中计，杀条血路，急急回关。不料，乐进、李典早下关隘，前后夹击，高干全军覆没，只身翻山而走。干一路南下，去投刘表，行至上洛县，被都尉王琰捕杀。王琰提头献操，受封列侯。
并州既定，议征乌丸。辽东、辽西、右北平，三郡乌丸虽在塞外，其趁天下大乱，数掠幽州，掳汉民十余万户。袁绍据四州，立其酋长为单于，唯辽西蹋顿，兵马强盛，自二袁往投，又数掠塞内。时，曹洪等将曰：“二袁势穷力尽，远投辽西，我若引兵远征，倘刘备、刘表乘机来犯许都，我救援不及，祸不浅矣。”郭嘉曰：“诸公所言差矣。我主虽威震天下，然辽西乌丸，恃其边远，必不为备，趁其不备，卒然击之，必破也。且，袁绍于乌丸有恩，而袁尚、袁熙犹存，不可不除之。刘表守成者也，自知己才不足御备，重用之恐不能制，轻任之备不为用，虽虚国远征无忧矣。”操喜曰：“奉孝之言，正合我意。”遂备辎重粮草，点起三军，远征乌丸。
建安十二年，夏五月，兵马行至无终县境，只见黄沙弥天，狂风四起，重峦叠嶂，人马难进。曹操有回军之意，乃问郭嘉。时郭嘉水土不服，卧病在车。操含泪曰：“因我欲平乌丸，使公远涉山水，以致染病，我心何安？”郭嘉曰：“主公大恩，虽死不能报万一。”操曰：“此方天恶路险，兵马难行，我欲回军，你意如何？”郭嘉曰：“兵贵神速，今千里奔袭，辎重多难以取利，当轻兵倍道，掩其不备。”操听其言。令人送郭嘉回涿郡养病，三军尽弃辎重，倍道而进。
入六月，山水下，傍海道断，曹操一筹莫展。忽一人入帐见操，此人姓田名畴、字子泰，右北平无终县人。田畴博学高义，二十二岁时为刘虞出使洛阳。刘虞被公孙瓒所杀，田畴祭拜墓前，公孙瓒大怒，欲斩之。田畴曰：“先杀无罪之君，又诛守义之臣，如此行为，燕赵之士肯从将军乎？”瓒遂放之。袁绍闻其名，五次遣使来聘，不就。曹操破幽州，差人来请，遂收拾起行。乡里问曰：“何异如斯？”田畴曰：“此非你等所能知也。”时，田畴见操进言曰：“此道夏秋间漫水，浅不通车马，深不载舟楫，可转军走卢龙口。”操闻言大振：“尚有它路？”田畴曰：“光武之时，有一路自卢龙口直达柳城，虽废弃二百年，仍有迹可寻。此道直且近，人烟罕有，正利突袭。”曹操大喜，封田畴为靖北将军、兼向导官，命张辽为先锋，人马转进卢龙口。
二百年废弃，草木阻塞，道路不通，张辽开山填谷而进。此地天寒且旱，二百里无水，军又乏粮，杀马数千匹为食，凿地三十丈取水。经白檀、平冈兵马行三百里，距柳城尚有二百里，有人报知蹋顿。蹋顿遂引数万骑，出柳城来迎。
八月，曹操至白狼山，卒遇敌，时步甲铁骑在后未至，只有轻骑，左右惊惧。曹操登高而望，见贼兵不整，疏而无备，即命众将纵兵击之。张辽、许褚、于禁、徐晃，四路彪骑冲下白狼山，直击蹋顿，林木遮掩，不知汉军有多少兵马。乌丸军突然遭袭，顿时大乱，各自逃窜。张辽拍马直取单于，一刀斩蹋顿栽落马。操兵一路掩杀，走马而下柳城，袁熙、袁尚引数千骑逃奔辽东。
曹操入柳城，封田畴亭侯，食邑五百户。田畴拜辞曰：“明公神武，将士用命，方有此胜。畴力薄功微，何当大恩？”操更敬之，乃拜田畴为议郎。操清府库，迁胡汉二十万户于塞内，收骏马万匹。
忽，涿郡使者至，出郭嘉书曰：“郭公叮嘱，丞相若用书中之计，辽东定矣。”曹操观书，数次叹息。次日，夏侯惇引众将请命曰：“辽东太守公孙康，久不宾服，今二袁又往投之，必为后患，不如就近伐之！”曹操笑曰：“不劳诸公虎威，公孙康自会送二袁首级来献。”众将不信。曹操下令，拔营班师。
辽东太守公孙康，本郡襄平县人，武威将军公孙度之子。当日，闻二袁来投，乃聚部下商议。公孙康之弟，宁乡侯公孙恭曰：“袁绍在时，常欲吞并辽东，今二袁兵败来投，必欲鸠占鹊巢，若留之，定为患。不如诱入城中杀之，献首曹公，曹操赏罚分明，必厚待我等。”公孙康曰：“曹操屯兵辽西柳城，若其挥兵伐我，则不如纳二袁为助。”公孙恭曰：“可差人打探，若操来伐，则留二袁，若操不来，则杀二袁，以献曹公！”遂差探马前往辽西。
袁熙、袁尚引数千骑投辽东，二人于路商议曰：“辽东兵马数万，足可为基，今暂投之，后杀公孙康夺占辽东，养兵积粮，再复河北。”至辽东，入见公孙康，康托病不见，留二人于馆驿。不数日，细作回报：“曹操班师。”公孙康大喜，乃埋伏刀斧手于壁衣内，召二袁入见。相见礼毕，入坐，时天严寒，袁尚见座上无褥，乃曰：“请铺座褥。”公孙康忽变色喝曰：“你二人之头，将行万里，何须铺褥！”二袁大惊。刀斧手一拥而出，乱刃纷下，人头落地。
公孙康命人，以木匣盛二袁首级献操。曹操大喜，封公孙康为襄平侯、左将军。曹操曰：“果不出奉孝所料也。”众问为何。曹操出郭嘉书与众。书中曰：“若袁熙、袁尚投辽东，主公切不可进兵追之。公孙康久惧袁氏吞并，二袁往投，康必疑之，我若进兵，其必合力拒我，我若勒兵而回，公孙康必杀二袁献首，其势然也。”众文武皆竖指称赞。
建安十二年十月，曹操回军至涿郡，时郭嘉已死数日，停柩府衙。操亲往拜祭，大哭曰：“奉孝死，天丧我也！”操溅泪谓众官曰：“诸君年齿，皆我同辈，唯奉孝最少，然，奉孝乃知我者也。天下之人，相知者鲜，今其早亡，何其痛哉！追忆奉孝，不能去心，其见识过绝于人，今天下相争，欲以来事仰仗奉孝，不料其中年早亡，天丧操也！”众皆泪下。操表奏曰：“军师祭酒郭嘉，随军征伐，十又一年，临敌制变，每有高议，平定四方，谋功为最。今其早亡，思其功勋，实不可忘，封邑千户，谥曰贞侯，子孙嗣承。”郭嘉亡年三十八岁。操命人扶灵柩，还许都厚葬。