曹军退还官渡后，渡河后的袁军主力向南推进到阳武。沮授对袁绍说：“北军人多，但英勇善战不如南军；南军粮少，物资储备不如北军。南军利于速战，北军利于缓兵。所以应打持久战，拖延时日。”袁绍仍然不从，他命令部队逐渐逼近官渡，紧靠曹军扎营，军营东西绵延数十里。（注：《三国志袁绍传》前后记载有异，此处记载“沮授建议持久战，袁绍不从”，但后文记载双方“相持日久”，同时《三国志武帝纪》记载双方“相拒连月”，《后汉书》记载“相持百余日”，多处记载表明实际上袁绍的做法与沮授此处主张一致。）
八月，两军主力在官渡会战，曹军合战失利，十个人之中就有两三个人受伤，前线能战的兵将不足万人，于是躲进营垒中坚壁不出。袁绍修筑壁楼，堆起土山，从高处发箭射击曹营。箭如雨下，曹军大为恐惧，将士只得蒙着盾牌走路。但壁楼、土山不久就被曹军的“霹雳车”轰毁了。袁绍又暗凿通往曹营的地道，曹军则在营中挖掘长沟进行防御。袁军的运粮车还遭到曹军的袭击。同时，袁绍先后派刘备、韩荀袭击许都，但是皆被曹仁击败，因此不再分兵复出。这是一场持久战，两军相持了一百多天，河南老百姓困苦不堪，纷纷背叛曹军，响应袁军。袁绍派遣使臣招降豫州诸郡，曹操统治的豫州在袁绍的外交攻势下四方瓦解、远近顾望，纷纷受命，唯有颍川郡、阳安郡仍坚持不动。因为粮食将要耗尽、局面无法支撑，曹操写信给荀彧，想要撤回许昌，被荀彧劝回。
然而，这种有利于袁绍的形势却突然急转直下。当时，袁绍派淳于琼带领万余人北迎运粮车，沮授建议增派蒋奇领一支人马在淳于琼外侧以防曹操偷袭。而谋士许攸则提出乘曹操倾军而出，轻骑奔袭许都的建议。然而，袁绍因之前派韩荀和刘备袭击许都失败，不想再分兵冒险。许攸向来贪财，袁绍不能满足，事有凑巧，在邺城的许攸许攸家族中有人犯法，被留守的审配抓进监狱，许攸大为不满，于是投奔曹操。许攸投敌后将袁军机密全部泄露，曹操于是亲自领兵赴乌巢，袭击淳于琼。曹操在夜里带领精锐骑兵到达乌巢，让军队假扮成袁军部队，骗过了乌巢守军，然后围屯放火，乌巢守军大为惊乱。
乌巢屯点起火后，袁军部将张合主张救淳于琼，他对袁绍说：“曹操亲自出马，必然得手，那么事情就无可挽回了。”郭图却别出心裁地说：“不如乘此时发兵去进攻曹军大营。”
袁绍于是两路出兵，一路派将领高览、张合率领重兵攻击曹营；另一路派骑督韩莒子、吕威璜、赵叡等领轻骑部队救援乌巢。在淳于琼的万人守军遭受攻击时，袁绍派去增援的骑兵部队刚好到达，被曹军一并歼灭。
高览、张合攻敌军大营不下，乌巢战败的消息传来，二将临阵倒戈，向曹军投降。因为前方重兵反水，袁绍全军大乱，一下子全军大溃。袁绍及长子袁谭各单骑退离渡河，随后又逃来一群骑兵，约有八百骑，也渡河到黎阳北岸。袁绍来到蒋义渠帐中，拉着他的手说将自己的性命托付给他。蒋义渠让出营帐给袁绍，让他发布命令。袁绍的部众听说他活着，渐渐又聚到一起。剩下的部众假装投降，曹操将他们全部活埋，先后被杀的有八万人。
袁绍外表宽宏高雅，有才干气度，脸上没有忧愁喜悦的情绪，但其实内心却会猜忌戒备。官渡败后，有人说田丰必受重用，田丰却说打胜了自己能够安全，兵败则必死无疑。袁绍回到邺城时怀疑田丰笑话自己，恰好逢纪报告说田丰听说袁绍战败高兴地拍手大笑，于是袁绍下令处死田丰。
审配的两个儿子在官渡战场被曹操活捉。孟岱与审配有矛盾，就通过蒋奇对袁绍说审配独揽权力、宗族大兵力强，两个儿子被抓，必定想反叛。郭图、辛评也这么认为。袁绍于是任命孟岱为监军，代替审配把守邺县。逢纪同审配不和，袁绍询问逢纪，逢纪回答说审配天性刚烈，不会因为儿子被俘做不义的事。袁绍问两人关系不和为何维护，逢纪回答说国事重于私交。袁绍深表赞同，于是没有罢免审配。自此审配、逢纪的关系更融洽了。
从官渡军队溃败开始，袁绍吐血的病情又开始发作，同时，冀州诸郡大规模造反，后被袁绍逐一平定。
建安七年五月庚戌日（202年6月28日），袁绍病逝。由于袁绍平素行德政，被百姓敬爱，他去世之时，河北四州的百姓没有不悲痛的，市里巷间挥洒着眼泪，如同失去亲人一般。
袁绍生前将长子袁谭过继到兄长名下，去世后审配等矫其遗命奉三子袁尚为嗣（注：审配书信中曾提及袁绍本人在出继袁谭后已明确立袁尚为继承人）。
建安七年（202年），袁绍死后，曹操再次侵攻河北，双方互有胜负。后袁谭、袁尚为了争权夺利而相攻，袁谭因夺权失败与敌人曹操联合，夹击袁尚。
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