曹操为了肃清袁氏残余势力，也为了彻底解决三郡乌桓入塞为害问题，决定远征乌桓。汉末，辽西、辽东、右北平三郡乌桓结合，是为三郡乌桓，其首领为辽西部的蹋顿。三郡乌桓与袁氏关系一直很好，并屡次侵扰边境，掳掠人口财物。
五月，曹操亲率大军到达无终（今河北玉田）。时正雨季，道路积水，“浅不通车马，深不载舟船”。曹操从无终人田畴之议，改从一条久已断绝，但“尚有微径可寻”的路线进军。在田畴的引导下，曹操大军登徐无山（今河北玉田北），出卢龙塞（今河北喜峰口附近），“堑山堙谷五百余里”，直指乌桓老巢柳城（今辽宁朝阳南）。
八月，曹军进至离柳城不足二百里时，乌桓才发现，于是蹋顿与袁尚、袁熙等人率数万骑兵迎击。二军相遇，时乌桓军军势甚盛，而曹军则是“车重在后，被甲者少，左右皆惧”，唯独张辽力劝曹操迎战。曹操登高了望，见乌桓军虽多，但阵势尚未摆好，遂命将自己的持麾授予张辽暂用。张辽指挥先锋部队，乘乌桓军阵稍动之机，向乌桓军发动猛攻。乌桓军大败，死者被野。乌桓单于蹋顿也被临阵斩杀。曹军在白狼山之战中大获全胜，胡、汉降者二十余万。
袁尚等人逃奔割据平州的公孙康。这时，有人劝曹操乘势进击公孙康，曹操说：“吾方使康斩送尚、熙首，不烦兵也。”遂率军还师。不久，公孙康果然斩杀袁尚、袁熙，并将其首级献与曹操。诸将不明所以，曹操说：“彼素畏尚等，吾急之则并力，缓之则自相图，其势然也。”于是，曹操攻破三郡乌桓，也彻底肃清了袁氏势力。
十一月，曹操行至易水，代郡乌丸行单于普富卢、上郡乌丸行单于那楼率其部下名王来贺。
建安十三年（208年），曹操开辟玄武池训练水军。六月，曹操废三公，恢复丞相制度，自任汉朝丞相。曹操基本平定北方后，兵锋转而南向。七月，进军南征荆州牧刘表。八月，刘表病死，其子刘琮接任。九月，曹操大军进至新野，刘琮以为无法抵挡，举荆州之众投降曹操。
曹操进军江陵后，下令荆州官民，“与之更始”，同时封降服者十五人为侯，任刘表大将文聘为江夏太守，引用荆州名士韩嵩、邓义等。益州牧刘璋也遣使向曹操致敬，并开始接受征役，派兵充实曹军。
这时，官渡之战后投奔刘表的刘备屯驻于樊城（今湖北襄樊），听说刘琮投降，便率军向江陵（今属湖北）撤退。江陵为荆州重镇，存有大量军用物资。曹操听说，怕江陵落入刘备之手，遂亲率五千骑兵从襄阳（今湖北襄樊）疾驰三百里，在当阳长坂（今湖北当阳东北）将刘备追上，大破其军，随后进占江陵。
曹操在击溃刘备后，乘势想一举鲸吞江东。孙刘两军在鲁肃和诸葛亮等人的努力下，结成联盟，孙权命都督周瑜率军三万，与刘备的两万人马组成联军抵抗曹操。曹操自江陵东下，至赤壁（今湖北武昌西赤矶山）与孙、刘联军接战不利，暂驻军于乌林（今湖北洪湖东北），周瑜等人在南岸，双方隔江对峙。周瑜用诈降之计，命大将黄盖率小战船十艘，上装柴草，灌以膏油，船头钉上大钉，假称投降，向北岸而进，至离曹营二里之处时，各船一齐点火，然后借助风势，直向曹军冲去，曹军大败，舟船被烧。曹操率军从华容道（今湖北监利西北）陆路撤回江陵。撤军北还。
建安十四年（209年），周瑜攻取南郡，孙权借南郡予刘备，孙刘联盟进一步得到巩固。为防范孙权，曹操强制内迁淮南的民众，引发江淮十余万户百姓惊慌，使其尽皆渡江归附孙权。同时，为稳定内部，曹操下令“死者家无基业不能自存者，县官勿绝廪，长吏存恤抚循”。同年还亲临合肥，设置了扬州郡县的长吏，修治芍陂屯田。年底回到谯。
赤壁之战后，天下三分的局势已经奠定。自此以后，曹操虽时有征伐，但主要精力用在经营曹氏势力之上。
建安十五年（210年）春，曹操下《求贤令》，提出不拘品行、唯才是举的用人方针，目的是尽量把人才收罗到自己身边。同年冬，修建铜雀台。
建安十六年（211年）正月，曹操的三个儿子被封为县侯，世子曹丕成为五官中郎将，设置官属，为丞相副。太原人商曜以大陵起兵，曹操遣夏侯渊、徐晃将其击破。
三月，曹操遣司隶校尉钟繇讨伐汉中（治南郑，今陕西汉中东）张鲁，并令夏侯渊等出兵河东，与钟繇会合。西征汉中要经过关中，关中诸侯马超、韩遂、杨秋等十部心生疑惧，一时俱反。曹操立即派大将曹仁讨伐他们，马超等人屯据潼关，曹操对诸将说：“关西兵勇敢强悍，你们坚守不得与他们交战。”
七月，曹操率大军亲征关中。八月，曹操到达战场，与马超的军队隔着潼关对峙。曹操拖住马超的部队，暗中派徐晃、朱灵等将乘天黑渡过蒲阪津，占领河西，安营扎寨。闰八月，曹操在潼关北面强渡黄河，渡了一半，马超赶来，猛攻曹军船只。校尉丁斐见情况危急，放出大批牛马引诱贼兵，敌军争抢牛马，队形大乱，曹操才得以渡过黄河，沿河边向南修筑通道。
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