建安九年（204）2月，曹軍完成了對鄴縣的合圍。
指揮守城的是審配，經過蘇由反叛事件，袁軍士氣非常低落。但是，這一仗也沒那麼好打，袁紹在這裡經營了多年，城防堅固，曹軍一時無法得手，又成了一次艱難的攻城作戰，堆土山、挖地道，把所有攻城的辦法都使上了，就是遲遲攻不下來。
但曹操不想撤軍，如果把鄴縣攻下了，黃河以北大局可定，所以這一次圍則必打、打則必勝。曹操索性沉下心來，從肅清外圍之敵入手打起了持久戰。鄴縣的左翼是并州刺史部，這裡是袁軍目前最重要的後勤供應來源，其後援基地集中在上黨郡一帶，由上黨郡到鄴縣必須經過太行山區的毛城，袁尚的部下武安縣長尹楷駐紮在此。
建安九年（204）4月，曹操留曹洪主持圍攻鄴縣，自己親自率軍攻打毛城的尹楷，將其擊破而還。此後，曹操又率軍繞到鄴縣的北面，擊破了袁尚駐守在邯鄲的部將沮鵠，攻佔了邯鄲，袁尚任命的易陽縣令韓范、涉縣縣長梁岐投降。
徐晃向曹操提出建議：「二袁未破，他們手下其他諸城都在觀望，應該重賞這兩個縣給大家看。」曹操認為有理，將韓范、梁岐這兩個縣長直接賜爵為關內侯。這一招果然奏效，引起了多米諾骨牌效應，不僅又有多位袁尚任命的地方官員投降，而且還招來一位重量級人物。
這個人就是老牌的實力派人物，黑山軍首領張燕。張燕一直是袁紹的勁敵，多年以來也是袁氏集團揮之不去的夢魘。在袁紹與公孫瓚的對抗中張燕堅定地支持公孫瓚，公孫瓚失敗後張燕被袁紹打散，後來趁著袁紹忙於官渡之戰的機會，張燕慢慢恢復了元氣，又捲土重來。張燕看到曹軍勢大，於是主動聯絡要求投降曹操。在此前的戰史中，張燕跟曹操雖然在大多數情況下是戰略上的敵人，他們彼此分屬於不同陣營，但他們之間卻很少有直接交手的記錄。
張燕的投奔進一步鼓舞了曹軍的士氣，加速了袁氏集團的滅亡。
但是，鄴縣仍然未能攻下。
這也考驗著曹軍將士的耐心，最後他們使出了一計狠招。一天，站在鄴縣城牆上的審配看到曹軍的工兵們圍著城牆開始挖戰壕，整個戰壕聯結起來長達40里，但是又淺又窄，一使勁都能跨過去。
審配看到以後微微一笑，心想這樣的東西是沒有任何實際作用的，他也不派人出擊搞破壞，曹軍有勁沒處使就讓他們挖吧。豈料，入夜之後曹操下令全體將士都投入到挖戰壕的工作中，大家排著隊，前面的人挖累了後面的人趕緊替換，人歇活不歇。經過高強度的工兵作業，一夜之間這條40里長的戰壕全部擴充到兩丈深、兩丈寬，這一回審配不笑了，他大為吃驚，但一時間鬧不清曹操搞出這種超級工事做什麼用。
審配的好奇心馬上就有了答案，這些戰壕裡神奇般的灌滿了水，這些水藉著設計好的地勢一路前奔，直撲城內。原來，曹軍挖的不是戰壕，而是人工運河，把附近漳河裡的水引來灌城。河北省臨漳縣的三台遺址據說並不是銅雀台，而是它附近的金鳳台，真正的銅雀台已被改道的漳河給沖毀了。金鳳台遺址在一個鎮子邊上，鎮子的另一側就是漳河，現在大多數時候河裡都沒有什麼水，站在橋上就可以看到金鳳台。所以漳河就在鄴縣跟前，雖然方便了生活和生產，但也暴露出一個隱患，那就是鄴縣很容易被水攻。
用水攻城對曹軍來說並不陌生，之前在下邳之戰中最後也是引河水灌城，徹底擊垮了守城敵軍的意志。城裡本來都快撐不住了，現在又泡在了水中，更是雪上加霜。好在現在是夏天，要是換成冬天，不知道情況會怎樣。即便如此，城裡的人也餓死了一半以上。
但是，袁軍仍拚命死守，看來其戰鬥力並非不堪一擊。
轉眼間，就到了秋天。
在冀州北部一帶活動的袁尚也拼了，率領一萬多人馬前來救援，曹軍大部分將領認為不如放過他們，避開鋒芒，然後再尋找機會殲滅。這樣的想法是有依據的，《孫子兵法》裡說「歸師勿遏」，意思是說正在撤退回來的敵人不要去攔阻，因為這些人回家心切，個個都會死戰。
曹操才是研究《孫子兵法》的翹楚，對這部兵書比任何人都熟悉，他說：「那倒也未必，這要看袁尚從哪裡來，如果是從北面的大道而來，應當避開他；如果是從西面的山道而來，我料定可以擒獲他了。」曹操說得挺有把握，根本不像說著玩，弄得大家一頭霧水。
曹操派出多路候者在這兩個方向隨時打探情況，後來接到報告，說敵人走的是西邊的山道，大部隊已經到了邯鄲一帶。曹操大喜，對諸將說：「我已經得到冀州了，諸君知道不知道？」大伙不知道領導賣的是什麼關子，都說不知道，曹操說：「諸君馬上就能看到了！」
曹操並不會算卦，他依據的是心理戰的原理。袁尚如果是從北面的大道而來，說明他們沒有給自己留退路，來了就會決一死戰。袁尚之所以專程繞到西面再向這裡進攻，說明他想的是打得贏就打，打不贏就退到太行山裡打游擊，有了這種心理，曹操料定袁尚必敗。
袁尚的主力進到了鄴縣以西70里的陽平亭，在滏水邊紮營。夜裡，袁尚派人向鄴縣城裡舉火報信，城裡也舉火回應，這是雙方約定的共同行動信號。
審配率兵從城裡殺出，想跟袁尚會合，曹操早有準備，在這兩個方向都派出阻擊部隊，城裡和城外兩路敵兵均被擊敗，審配退回城裡，袁尚被曹軍順勢圍在了漳河邊。袁尚實在沒有信心打下去了，向曹操請求投降。
現在才想起來投降，可見袁尚沒有他哥哥機靈，但此時曹操已經不需要他投降了，曹操只想盡快消滅他們。袁尚無奈，趁夜突圍，還不錯，逃了出去，到達附近的太行山中，袁尚的部將馬延、張等人臨陣投降，袁尚在太行山裡也待不下去了，只好逃往中山國。
曹軍繳獲了大量輜重，還繳獲了袁尚的印綬、節鉞、衣物等，曹操命人拿著這些東西到鄴縣外面搞展覽，故意讓城裡的人看，城內守軍看到，信心和鬥志完全瓦解。
但即使到了這種情況，鄴縣仍未被攻克。
審配不光會耍嘴皮子，看來還真有兩下子，他下令堅守死戰，並不斷給大家打氣：「曹軍也疲憊不堪了，二公子袁熙就要來救我們了！」老大和老三打，老二袁熙還在幽州沒動，手裡有一定實力。但是有人撐不住了，守城的部將馮禮叛變，他打開城門放曹軍進城。曹軍一下子湧進來300多人，但被審配及時發覺，在城上指揮人扔下大石塊堵門，門被堵住，衝進城裡的300多名曹兵全部被殺。
還有一次，曹操在城外巡視，讓審配看見了，命令弓箭手悄悄埋伏，找到機會突然放箭，差點射中曹操。不過審配再死撐也挽救不了鄴縣內無糧草、外無救兵的絕境，對於袁軍的處境，城裡有些將領看得很清楚，他們不想跟審配一塊送死，這其中就包括審配的侄子、東城門守將審榮。8月2日夜裡，審榮打開鄴縣東門迎接曹軍入城，審配雖然組織人在城裡繼續巷戰，但已無力回天，鄴縣很快被曹軍佔領，審配成了俘虜，後來被曹操下令殺了。
打了六個月之久的鄴縣攻防戰以曹軍最後的勝利而結束了，包括袁紹妻子劉氏在內的家眷都沒有受到傷害，曹操不僅沒殺他們，而且還歸還了他們的財產，袁熙的妻子甄宓也在城中，被曹操的兒子曹丕看中，成了曹丕的妻子。
曹操不喜歡袁紹，但也不至於恨之入骨，作為相識多年的朋友，曹操對袁紹一直有著複雜的感情，不是一個「愛」或「恨」就可以概括的。不僅如此，曹操還到老朋友的墓前親自進行了祭奠。
攻克鄴縣後，曹操給獻帝上了一份奏章，報告此次征討袁尚、佔領鄴縣的情況。
同時，曹操還請獻帝發佈了兩項人事任命：第一項是任命賈詡為太中大夫，免去他原來冀州牧的職務；第二項是任命自己為冀州牧。
冀州刺史部長期是敵占區，冀州牧只剩下了象徵意義，此前董昭擔任過冀州牧，後來他改任徐州牧，冀州牧讓曹操給了剛加入本陣營的賈詡。如今冀州刺史部的大部分地區已被佔領，冀州牧也成了實職，曹操決定親自擔任這一職務，所以先給賈詡安排了個新職務，但賈詡不用到許縣上班，仍然跟隨自己左右，對於這個聞名天下的智囊，曹操一直都寄予著厚望。
曹操在鄴縣正式以司空兼冀州牧的身份處理公務，他首先給自己找了一個得力的助手，名叫崔琰，他是冀州本地的名士，字季珪，清河郡人，年輕時尚武，23歲才開始發憤讀書，29歲拜鄭玄為師，跟劉備手下的孫乾是同學。曹操讓他擔任別駕。
崔琰到位後，曹操讓他把冀州刺史部的戶籍、土地等方面的檔案材料找出來，整整看了一個晚上，看完之後大為興奮。第二天，曹操對崔琰說：「昨天晚上我查看了冀州的戶籍，按照我的推算這裡可以徵調30萬甲士，真不愧是個大州哇！」冀州刺史部確實是個大州，下轄9個郡國、約100個縣，根據東漢最後一次人口普查的結果，不說魏郡、渤海郡這樣的人口大郡，就連安平國、河間國、清河郡這樣的中等郡國，人口也都在60萬以上。
面對心花怒放的領導，新上任的崔副州長毫不客氣地給他潑了盆冷水：「現在天下分崩，九州割裂，袁氏兄弟大動干戈，冀州百姓生靈塗炭，您領著大軍而來，不見您先施行仁政，整頓風俗，救民於水火，反而計算甲兵多少，這豈是冀州百姓對您的期望呢？」
旁邊的人聽到崔副州長這番話都嚇傻了，領導剛上任你就這麼不給面子？大家在等著崔琰會受到什麼處罰，但沒想到的是，曹操立刻收斂起笑容，以一臉嚴肅的樣子鄭重向崔琰道歉。曹操這樣做不是裝樣子，他的長處就是大多數情況下都能虛心接受批評，只要你批評得對，也不存在當面接受批評，背後給人穿小鞋的地方。
此後，曹操更喜歡崔琰了，冀州刺史部的事務更加依賴他。
除了崔琰，佔領鄴縣後曹操還大量征辟本地知名人士出來工作，增強自身力量，同時盡快在冀州站穩腳跟，其中包括陳琳、牽招、崔林、高柔、司馬懿等人。