建安二十二年（217年）春，曹操再次南征，率军攻破居巢，猛攻濡须口，击败孙权，孙权派都尉徐详求降，曹操同意，并允诺重新结为姻亲。
曹操主力退出汉中后，刘备向汉中发动进攻。建安二十三年（218年），刘备亲率大军进至阳平关，夏侯渊等人与刘备夹关对峙，曹军多次击退刘备军猛烈攻势。四月，乌桓的无臣氐与鲜卑的轲比能联合侵扰边塞，曹操命曹彰、田豫北征，大破乌桓鲜卑联军。七月，曹操亲率大军西征刘备。九月，曹操坐镇长安，以便随时指挥汉中战局。十月，宛城守将侯音起兵反曹，劫掠吏民，保守宛城。曹操令曹仁围攻宛城。
建安二十四年（219年）正月，曹仁斩杀侯音。刘备自阳平关南渡沔水（今汉水），依山而进，驻军于定军山（今陕西勉县东南），夏侯渊出兵与刘备争夺地势，被黄忠斩杀，曹军战败。之后，曹操亲率大军来夺汉中，但是刘备坚壁不出，曹军与刘备军相距数月，无利，遂放弃汉中。
建安二十四年（219年），曹操亲率大军从汉中撤往长安。刘备大将关羽趁着襄、樊兵力空虚之际，从荆州向他的东南防线襄、樊一带发动了进攻。曹操闻知，立刻派大将于禁率兵往救樊城。八月，汉水流域因为天降暴雨而发生了“汉水溢流，害民人”的自然灾害，关羽趁机乘大船进攻，擒于禁，斩庞德，乘势进军，将樊城围住。时樊城曹军只有数千人，城池被水淹没，水面离城楼仅有数尺，曹仁率军死守。曹操又派徐晃领兵去救樊城。九月，相国西曹掾魏讽谋袭邺城，事泄被杀，相国钟繇也受牵连被免官。十月，曹操从关中赶到洛阳，亲自指挥救援樊城。
孙权因关羽处其上游，不愿意让关羽势力发展，且他早有攻取荆州之心，于是联结曹操，准备以大将吕蒙偷袭荆州要地江陵。曹操接到书信后，将这一消息通知曹仁，命他继续坚守，自己进至摩陂（今河南郏县东南），临近指挥，又派兵十二营增援徐晃，命他反击关羽。经过恶战，关羽败走。不久，吕蒙偷袭江陵得手。关羽撤往益州，途中为孙权军擒杀。孙权将关羽的首级送到洛阳。至此，襄樊战役结束。
曹操在孙权擒杀关羽、取得荆州后，表孙权为骠骑将军、荆州牧。孙权遣使入贡，向曹操称臣，并劝曹操取代汉朝自称大魏皇帝。曹操将孙权来书遍示内外群臣，说：“这个小儿想把我放在炉火上烤嘛！”曹操手下群臣乘机向曹操劝进。曹操说：“如果天命在我，我做周文王足矣。”
建安二十五年（220年）正月，曹操还军洛阳，同月庚子日（3月15日[289]），病逝在洛阳，终年六十六岁，谥号为武王。他临死前留下《遗令》（参见词条曹操遗令）。 根据曹操的遗嘱，他于二月丁卯日（4月11日）被安葬于邺城西郊的高陵。曹操死后，其子曹丕袭封丞相、魏王官爵。
黄初元年十月辛未日（220年12月11日），曹丕逼迫汉献帝让位，改汉为魏，于同年十一月癸酉日（12月13日）追尊曹操为武皇帝，庙号太祖。
政治
惩办豪强
曹操的思想受儒家影响，崇尚仁义礼让，并试图以仁义、道德、礼让教民和行政，即“治定礼为首”。另一方面，他在治国上强调以法治国。在当世战乱之下，要拨乱反正，只能采用刑法之治。曹操主张执法如山，强调法不阿贵。他说，法令“设而不犯，犯而必诛”。要求严格法令规章，赏罚分明，不官无功之臣，不赏不战之士。曹操重视执法者的人选和执法者以身作则的作用，认为这是贯彻法令、实行法治的保证。为此，他起用王修、司马芝、杨沛、吕虔、满宠、贾逵等地方官吏，抑制不法豪强，收到了一定的成效。
处于乱世之中的曹操既强调刑法，也没有忘记礼教之用。他始终尚礼重法，两手俱用，并在礼法并举、两手俱用中表现出了特有的谲诈之能。
唯才是举
在人事管理方面，曹操主张唯才是举，这是曹操政治思想独具特色的地方。在汉末选官偏重门第、不问才德的情况下，他主张突破门阀界限，实行唯才是举。他认为，天地间，人为贵。要建功立业，只有靠人的智慧和才能，“任天下之智力，以道御之，无所不可”。他重视人的才能，鄙视德行礼教，认为遵守封建礼教的人不一定有开创事业的能力，有开创事业能力的人未必肯遵守礼教，所谓“有行之士未必能进取，进取之士未必能有行也”。故而力主起用那些果敢英勇临阵力战之士，出身地位低微但有高才异质的人和“负污辱之名，见笑之行，或不仁不孝而有治国用兵之术”的人才。并且明令要求下属“各举所知，勿有所遗”，不拘一格选官用人。
曹操用崔琰、毛玠掌管选举，他们任用“清正之士”，“务以俭率人”，使得天下士人“莫不以廉节自励”，即使是权贵宠臣，“舆服不敢过度”。以上变化，一定程度上能反映出社会风气的转变。
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