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因为屡谏而被嫌弃的沮授，这时又站出来劝阻说：“战争胜负变化莫测，不能不周密计划。大军应当留屯延津，另分兵进攻官渡。如能攻克，再迎大军也不迟，否则就有全军覆没的危险。”
袁绍不从。沮授在大军即将渡河的时候叹息：“在上者骄傲，在下者贪功，悠悠黄河，我还能渡回来吗！”
他推托身体有病，不愿过河。袁绍非常气恼，强迫沮授随军渡河，而把他所部军队割属郭图。袁绍渡河后，驻屯在延津南面。
他派出刘备、文丑挑战，被曹军打败，大将文丑被斩。再战，又折两员战将和许多人马，袁军中大为震恐。
曹军退还官渡后，袁军集结在阳武，沮授又对袁绍说：“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。所以我军应打持久战，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。
九月，两军会战，曹军失利，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，曹营中的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。
两军相持了一百多天，河南老百姓困苦不堪，很多人背叛曹军，响应袁军。
相持期间，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。
然而，这种有利于袁绍的形势却突然急转直下。
这时，袁绍派淳于琼带领万余人北迎运粮车，沮授特意提醒说：“可增派蒋奇领一支人马在淳于琼外侧，以防止曹操偷袭。”
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，袁绍因之前韩荀和刘备袭击许都失败，不想再分兵冒险。
事有凑巧，在邺城的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。在许攸的谋划下，曹操亲自领兵赴乌巢，袭击淳于琼。
当曹操奔袭乌巢之时，袁军部将张郃主张救淳于琼，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。”
袁绍认为郭图说得对，只要攻拔曹营，曹操就无家可归了。
于是派高览、张郃率领重兵攻击曹营，而只派轻骑救援乌巢。
高览、张郃攻营不下，乌巢大败的消息已经传来了，二将无心恋战，竟自向曹军投降。
插一句，这里其实是郭图作祟，害怕袁绍怪罪于自己。
于是叫来一亲信道：“你去见高览，张郃，就说主公要治他两人败军之罪”。
于是便有了两人投曹的事。
袁绍全军大乱，一下子全垮了。慌忙之中，袁绍及长子袁谭各单骑逃遁，直奔黄河渡口，随后又逃来一群骑兵，约有八百骑，渡河至黎阳北岸。
这一仗袁绍损失七、八万人，武器、辎重、图书、珍宝无数。
当他跌跌撞撞走进部下蒋义渠营帐中时，握着蒋的手，无比伤感地说：“我把自己的脑袋都交给你了。”
官渡败后，有人对田丰说：“你必将受重用了。”
田丰平静地回答说：“如出兵打胜了，我一定能够安全。如今兵败，我必死无疑。”
果然，袁绍回到邺城，说：“我当初不听田丰之言，今天真的要让他笑话了。”于是下令杀了他。
官渡之战，审配的两个儿子被曹操活捉。
孟岱与审配有矛盾，就通过蒋奇对袁绍说：“审配在任独揽权力，宗族大，兵力强，而且两个儿子在南方，他必定想反叛。”
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。护军逢纪同审配不和，袁绍就逭件事询问逢纪，逢纪回答说：“审配天性刚烈率直，每次所说的话和所做的事，都仰慕古人的节操，不会因为两个儿子在南边而做不义的事情，您不要对他怀疑。”
袁绍说：“你不是讨厌他吗？”逢纪说：“从前所争的属于个人私事，现在所说的是国家大事。”袁绍说：“太对了。”于是没有罢免审配。自此审配、逢纪的关系更融洽了。
回到冀州后，袁绍陆续平定了各处的叛乱。
不久，袁绍发病，死于公元202年（建安七年）夏天。由于袁绍平素有德政，去世之时，河北百姓没有不悲痛的，市里巷间挥洒着眼泪，如同失去亲人一般。
审配等矫袁绍遗命，奉袁尚为嗣。
袁谭、袁尚为了争权相攻，被曹操各个击破。
公元205年（建安十年），袁谭被杀，袁尚与二兄袁熙逃亡辽西乌桓。
公元207年（建安十二年），曹操北定乌桓，袁尚、袁熙败走辽东，被公孙康所杀。
曹操曾经评价袁绍道：“吾知绍之为人，志大而智小，色厉而胆薄，忌克而少威，兵多而分画不明，将骄而政令不一，土地虽广，粮食虽丰，适足以为吾奉也。”“及至袁绍据河北，兵势强盛，孤自度势，实不敌之。”
陈寿曾评价道：“袁绍、刘表，咸有威容、器观，知名当世。表跨蹈汉南，绍鹰扬河朔，然皆外宽内忌，好谋无决，有才而不能用，闻善而不能纳，废嫡立庶，舍礼崇爱，至于后嗣颠蹙，社稷倾覆，非不幸也。昔项羽背范增之谋，以丧其王业；绍之杀田丰，乃甚於羽远矣！”
袁绍墓一说位于商水县袁老乡袁老村，据传袁绍忧愤而死后，早年跟随他南征北战的族人，趁着夜间天黑的时间，将袁绍尸体走水路运回家乡袁老，埋葬在曹河岸边。当时，为了怕再遭曹操的报复，袁绍的后人还特意将曹河改写成漕河，漕河一直沿用到今。
此地的袁绍墓当时很大，后经雨水冲刷，逐渐变小，袁老附近的村民都称其为鸡心滩，也叫袁金滩。为祭奠先人，每逢初一、十五，袁氏后人到袁金滩烧香祭祖，这个风俗一直沿袭了下来。