本年五月，曹操將遠征烏桓，諸將皆諫曰：“袁尚不過是亡虜，夷狄貪而無親，豈能爲袁尚所利用！今吾軍深入徵之，新野劉備必說劉表以襲許都，萬一爲變，事不可悔。“
郭嘉曰：“公雖威震天下，胡恃其所處地遠，必不設防備，因其無備，卒然擊之，可破滅也。且袁紹有恩於民夷，而袁尚、袁熙兄弟生存。今四州之民，徒以威附，德施未加，舍而南征，尚因烏桓之資，招其死主之臣，胡人一動，民夷俱應，以生蹋頓之心，成凱覦之計，恐青、冀非己之有也。劉表坐談客耳，自知纔不足以御劉備，重任之則恐不能制，輕任之則劉備不爲用，雖虛國遠征，公無憂矣。“曹操從之。
曹操攜子曹植領軍行至幽州涿郡易水，郭嘉曰：“兵貴神速。今千里襲人，輜重多，難以趨利，且彼聞之，必爲備。不如留輜重，輕兵兼道以出，掩其不意。“曹操從之，全軍棄輜重，輕裝疾進。
路過右北平郡無終縣，曹操遣使徵召田疇。田疇之前屢次拒絕袁紹，又忿烏桓多殺其本郡望族和名人，意欲討之而力未能。
曹操初定冀州時，河間國人邢顒返鄉，受曹操徵召，出爲冀州從事，田疇贊邢顒爲天民之先覺者。
曹操軍一到，田疇立刻率山中自營部落歸附。曹操拜田疇勃海郡修縣縣令，隨軍從徵。
本年六月，時方夏水雨，而濱海洿下，濘滯不通，烏桓亦遮守蹊要，曹操軍原定沿海岸線抵達柳城（遼寧省朝陽市）的道路不得進。曹操患之，以問田疇。
田疇曰：“此道，秋夏每常有水，淺不通車馬，深不載舟船，爲難久矣。舊北平郡治在平岡，道出盧龍，達於柳城。自建武以來，陷壞斷絕，垂二百載，而尚有微徑可從。今烏桓虜將以大軍當由無終，不得進而退，懈弛無備。若嘿回軍，從盧龍口越白檀之險，出空虛之地，路近而便，掩其不備，蹋頓可不戰而擒也。“
曹操贊同，乃引軍還，故意署大木表於水側路傍寫上大字：“方今夏暑，道路不通，且俟秋冬，乃復進軍“。
烏桓哨騎見之，誠以爲大軍去也。
七月，曹操令田疇將其衆爲鄉導，上徐無縣徐無山，出盧龍塞，並未直奔平岡，而是折向西北繞遠道五百餘里，塹山堙谷，經白檀，再向東北穿過平岡，踏入鮮卑庭，又向東南行軍，接近白狼山，東指柳城。
破羌將軍宣威侯張繡率部隨軍，還沒有到達戰場就突然死於路途中，被諡爲定侯，兒子張泉繼嗣。
有傳言，曹丕因兄長曹昂死於張繡之手而對張繡不滿，曾對張繡曰：“汝殺吾兄長，還有何臉面見人呢！”張繡一直心不自安，在此次行軍途中自殺。但自殺未可信也。
柳城離白狼山不及二百里，烏桓虜乃知之。
袁尚、袁熙、遼西烏桓行單于蹋頓、遼西單于樓班、遼東烏桓單于峭王蘇僕延（速僕丸/速附丸/速付丸）、右北平單于能臣抵之（於能臣）、右北平烏桓單于汗魯王烏延、上谷烏桓大單于難樓王難樓等領數萬騎奔向白狼山。
八月，曹操軍剛登上白狼山，倉卒與烏桓虜遇，烏桓衆騎甚盛。曹操車重在後，披甲者少，左右將領皆懼。
曹操登高，望烏桓虜陣不整，使蕩寇將軍張遼、偏將軍張郃爲先鋒，曹純虎豹騎縱兵擊之，偏將軍徐晃、左度遼將軍鮮于輔、烏桓校尉閻柔等將繼進，護軍韓浩、領軍史渙壓陣，烏桓衆騎大崩。
於是，趁勢追擊逐北，掃蕩四郡烏桓，胡、漢降者二十餘萬口。其中許多漢人口乃烏桓掠去的人口。
烏桓部落之一的烏桓王骨進曾大舉入邊，掠漢望族牛馬、財物甚衆。
曹操軍掃北，遼西鮮卑素利部落引兵應曹操，襲烏桓部落之一的烏桓王骨進的大營，獲馬千匹，骨進敗，幾乎被擒，逃散遁北而去。其它鮮卑部落異視素利。
樓班、蘇僕延、烏延，難樓等棄其種人，與袁尚、袁熙投奔遼東太守公孫康，其衆尚有數千騎。
右北平烏桓大人寇婁敦、遼西烏桓都督王護留、遼西烏桓大人王同、遼西烏桓大人王寄等率一部向北逃入漠北。
有將勸曹操繼續進兵擊公孫康，曹操曰：“吾方使公孫康斬送袁尚、袁熙首級，不煩用兵矣。“
九月，曹操引兵自柳城還，走原定進攻路線返回。
時天寒且旱，二百里無水，軍又乏食，曹操軍殺馬數千匹以爲糧，鑿地入三十餘丈方得水。
郭嘉病死於路途中，曹操哭呼：“哀哉奉孝！痛哉奉孝！惜哉奉孝！”。
公孫康欲取袁尚、袁熙以爲功，乃先置精勇之士於廄中，然後請袁尚、袁熙入，未及坐，公孫康叱伏兵擒之，於是斬袁尚、袁熙、樓班、蘇僕延、烏延、難樓等首級送與曹操。
諸將不解，問曹操：“公還，而公孫康斬袁尚、袁熙，何也？“
曹操曰：“彼素畏袁尚、袁熙，吾急進兵則其必然併力抵抗吾，吾緩之則自相圖，其勢然也。“
曹操掛袁尚首級於馬市，傳令三軍：“敢有哭之者，斬！“
軍謀掾牽招獨設祭悲哭舊主袁尚，曹操義之，舉爲茂才，轉任烏桓校尉。
烏桓校尉幽州都督閻柔只任幽州都督，加封關內侯，統帥幽州兵馬，鎮守北方。
既已還軍，曹操科問前諫者，衆將莫知其故，人人皆懼。
哪知曹操皆厚賞所有前諫者，曰：“孤前行，乘危以徼倖。雖得之，天所佐也，顧不可以爲常。諸君之諫，萬安之計，是以相賞，後勿難言之。“
表拜張郃平狄將軍；表拜徐晃爲橫野將軍。
曹操既克蹋頓，烏桓衰弱，鮮卑大人步度根、軻比能、素利、彌加、闕機（厥機）等通過幽州都督閻柔上貢獻，求通市，太祖皆表寵以爲王。
冬，十月三日（公元207年11月10日），有流星出現在鶉（南方朱鳥七宿星）尾。
曹操以兗州從事襄賁校尉呂虔爲泰山太守，施恩惠、立信用，袁紹所任命的中郎將郭祖、公孫犢等數十人都出來投降，躲藏在山裏的百姓都返鄉。
呂虔挑選強壯的人充軍，泰山軍在各州郡中考覈名列第一。
十月十七日（公元207年11月24日），濟南、樂安黃巾軍徐和、司馬俱等侵掠城池，斬殺官吏和濟南王劉贇。
典軍校尉夏侯淵率泰山、齊、平原三郡兵剿之，前後數十仗，斬首及俘虜數千人，大破之，斬徐和等，收復諸縣，收其糧谷以補軍糧。劉贇子劉開繼濟南王。