建安十年夏四月，黑山賊張燕率領他的十餘萬部眾前來歸降，曹操封他為列侯。此時，故安的趙犢、霍奴等人起兵作亂，殺死了幽州刺史和涿郡太守。三郡烏丸也趁機發兵，在獷平攻打鮮于輔。（《續漢書·郡國志》記載：獷平是一個縣名，隸屬於漁陽郡。 ）同年秋八月，曹操親自率軍征討。曹軍勢如破竹，迅速斬殺趙犢等人，隨後渡過潞河，馳援獷平。三郡烏丸的軍隊見曹操大軍前來，嚇得倉皇逃竄，逃出了塞外。

九月，曹操頒佈命令：“結黨營私、相互勾結，這是古代聖賢最為痛恨的行為。我聽說冀州有這樣的風俗，父子各為一派，相互詆譭或讚譽。從前，直不疑並沒有兄長，世人卻傳言他與嫂子私通；第五伯魚三次娶孤女為妻，卻被人汙衊毆打岳父；王鳳專權，谷永卻將他比作申伯進行誇讚；王商提出忠誠的建議，張匡卻誣陷他搞歪門邪道。這些都是顛倒黑白、欺天瞞君的行徑。我決心整頓風俗，如果不根除這四種不良現象，我會感到羞愧。”冬十月，曹操率軍回到鄴城。

當初，袁紹任命外甥高幹為幷州牧。曹操攻克鄴城後，高幹歸降，曹操便讓他繼續擔任幷州刺史。高幹得知曹操準備征討烏丸，竟然舉州反叛。他扣押了上黨太守，發兵據守壺關口。曹操得知後，派遣樂進、李典前去攻打。高幹抵擋不住，退回壺關城堅守。

建安十一年春正月，曹操決定親自征討高幹。高幹聽聞曹操親自率軍前來，心中十分恐懼，他留下部將守城，自己則逃往匈奴，向匈奴單于求救。但匈奴單于不願捲入這場紛爭，拒絕了高幹的請求。曹操大軍將壺關圍困了三個月，最終成功攻克。高幹走投無路，只好逃往荊州。在上洛，都尉王琰將高幹捕獲並斬殺。

建安十一年秋八月，曹操向東征討海賊管承。曹軍抵達淳于後，曹操派遣樂進、李典出擊。樂進和李典作戰勇猛，指揮得當，很快便擊敗管承。管承見勢不妙，率殘部逃入海島。曹操為了加強對地方的管理，對區域進行調整，割取東海郡的襄賁、郯、戚三縣，併入琅邪郡，同時撤銷了昌慮郡。（《魏書》記載，十月乙亥日曹操下達命令：“治理國家、統御眾人，設立輔佐大臣，最忌諱的就是當面順從。《詩經》中說‘聽從並採用我的謀略，或許就不會有大的悔恨’，這確實是君臣之間懇切的期望。我肩負重任，常常擔心決策失誤，近年來，卻很少聽到好的謀略，難道是我招攬賢才不夠勤勉的過錯嗎？從今以後，各位掾屬、治中、別駕，每月初一都要指出我的過失，我會認真閱覽。” ）

三郡烏丸趁著天下大亂，攻佔了幽州，擄掠了漢朝百姓十多萬戶。袁紹為了拉攏烏丸，將他們的首領都封為單于，還把自己家族的女子認作女兒，嫁給這些單于。其中，遼西單于蹋頓勢力最為強大，袁紹對他也格外厚待。因此，袁尚兄弟在戰敗後便逃到他那裡，藉助他的力量，多次侵擾漢朝邊塞。曹操決心征討烏丸，為了保障行軍和糧草運輸的便利，他下令開鑿渠道。一條是從呼沱河引入泒水（“泒”讀音為孤），命名為平虜渠；另一條是從泃河口（“泃”讀音為句）開鑿，引入潞河，命名為泉州渠，以此連通大海。

建安十二年春二月，曹操從淳于返回鄴城。丁酉日，曹操頒佈命令：“我興起義兵，討伐暴亂，至今已有十九年。這些年來，我所征討的敵人都被一一攻克，這難道是我一個人的功勞嗎？這都是賢能的文臣武將們共同努力的結果啊！如今天下尚未完全平定，我要與各位賢才一同完成平定天下的大業。如果只是我獨自享受功勞，我又怎能安心呢！現在，儘快評定功勞，進行封賞。”於是，曹操大封功臣，二十多人被封為列侯，其餘的人也按照功勞大小依次受封。對於那些在戰場上為國捐軀將士的遺孤，曹操也給予了妥善的撫卹，根據具體情況，給予不同程度的照顧。（《魏書》記載曹操的命令：“從前，趙奢、竇嬰身為將領，得到千金賞賜後，很快就將其散發給眾人，所以他們能夠成就大功，美名流傳後世。我每次讀到他們的事蹟，都十分欽佩他們的為人。我與各位將士、文臣一同征戰，有幸依靠賢才們毫無保留地出謀劃策，眾人竭盡全力，這才使我能夠平定艱險、掃除禍亂，還讓我得到了三萬戶食邑的豐厚賞賜。我追思竇嬰散金的大義，現在把我所得到的租賦分給各位將領、屬官，以及曾經在陳、蔡兩地戍守計程車兵，希望以此來酬謝大家的辛勞，而不是獨自享受這份厚賞。對於為國捐軀將士的遺孤，也要用租谷來撫卹他們。如果以後年成豐收、物資充足，租賦全部收齊後，我會和大家一起分享更多的賞賜。” ）

曹操準備向北征伐三郡烏丸，眾將領紛紛進諫道：“袁尚不過是個逃亡的敗將，那些夷狄之人貪婪且不講情義，怎麼會為袁尚所用呢？如今我們若是深入敵境去征討，劉備必定會勸說劉表趁機襲擊許都。萬一發生變故，那後果將不堪設想，到時候後悔都來不及了。”唯有郭嘉認為劉表必定不會重用劉備，極力勸說曹操出兵。曹操權衡利弊後，採納了郭嘉的建議。

建安十二年夏五月，曹操大軍抵達無終。然而到了秋七月，天降大雨，道路被洪水淹沒，沿海的道路無法通行。就在曹操為此事發愁時，田疇主動請命擔任嚮導，曹操欣然應允。在田疇的帶領下，曹軍從盧龍塞出發。塞外的道路早已斷絕，無法通行，曹操便下令開山填谷，硬生生地開闢出一條五百多里的道路。大軍先後經過白檀、平岡，穿越鮮卑的王庭，一路向東，直指柳城。

當曹軍距離柳城還有二百里時，烏丸才得知訊息。袁尚、袁熙與蹋頓、遼西單于樓班、右北平單于能臣抵之等人，率領數萬騎兵前來迎戰。八月，曹操大軍登上白狼山，突然與烏丸的大軍相遇。烏丸軍隊人數眾多，氣勢洶洶。此時，曹操的輜重部隊還在後面，軍中身披鎧甲計程車兵較少，左右將士見狀，都十分驚恐。曹操登上高處，觀察到烏丸軍隊陣列不整，當機立斷，下令出兵攻擊，並任命張遼為先鋒。張遼勇猛無比，率領曹軍如猛虎下山般衝向烏丸軍。在曹軍的猛烈攻擊下，烏丸軍隊頓時大亂，全線崩潰。此役，曹操大獲全勝，斬殺了蹋頓以及眾多有名的王，胡人、漢人投降的多達二十多萬。

遼東單于速僕丸以及遼西、右北平的諸多豪強，捨棄了自己的族人，與袁尚、袁熙一起逃往遼東，此時他們身邊還有數千騎兵。起初，遼東太守公孫康仗著地處偏遠，不肯歸服曹操。曹操攻破烏丸後，有人勸說曹操趁機征討公孫康，這樣就能擒獲袁尚兄弟。曹操卻胸有成竹地說：“我不用派兵，公孫康自然會把袁尚、袁熙的首級送來。”九月，曹操率領大軍從柳城返回。（《曹瞞傳》記載，當時天氣寒冷又幹旱，方圓二百里內都沒有水源，軍隊糧食也匱乏，無奈之下，曹操只得下令殺了數千匹馬作為軍糧，又挖地三十多丈才找到水。大軍返回後，曹操詢問之前勸諫他不要出征的人，眾人都不知道曹操的意圖，心裡十分害怕。曹操卻重重地獎賞了他們，說道：“我這次出征，是冒著危險去碰運氣，雖然取得了勝利，但這是上天在幫助我，不能把這種情況當作常態。你們的勸諫，才是萬全之策，所以我要獎賞你們，以後有什麼想法不要有所顧慮，儘管說出來。” ）果不其然，公孫康斬殺了袁尚、袁熙以及速僕丸等人，並將他們的首級傳送過來。

眾將領對此感到十分疑惑，有人問道：“您剛一撤兵，公孫康就斬殺袁尚、袁熙並送來首級，這是為什麼呢？”曹操笑著解釋道：“公孫康向來忌憚袁尚等人，我若是逼得太緊，他們就會聯合起來抵抗；我放鬆一些，他們就會自相殘殺，這是形勢所決定的。”十一月，曹操大軍抵達易水，代郡烏丸代理單于普富盧、上郡烏丸代理單于那樓，帶著他們的名王前來祝賀曹操勝利歸來。

建安十三年春正月，曹操回到鄴城，下令修建玄武池，用來訓練水軍。（“肄”，讀音為以四反。《三蒼》解釋：“肄，就是練習的意思。” ）這一年，漢朝廢除三公官職，設定丞相、御史大夫。夏六月，曹操被任命為丞相。（《獻帝起居注》記載，漢獻帝派太常徐璆前往授予曹操印綬。御史大夫不再兼任中丞，設定長史一人。《先賢行狀》記載：徐璆字孟玉，是廣陵人。他年輕時品行高潔，在朝堂上剛正不阿。他先後擔任過任城、汝南、東海三郡的太守，所到之處，教化大行。後來他被朝廷徵召，在返回途中被袁術劫持。袁術稱帝后，想要授予他上公之位，徐璆始終不屈從。袁術死後，徐璆得到袁術的玉璽，將其送回漢朝，被任命為衛尉、太常。曹操擔任丞相時，曾想把這個職位讓給徐璆。 ）