却说曹操见道路难行，险要地段均有强敌扼守，便向田畴问计。
田畴说：“这条道路在夏季常常积水，浅处不能通行车马，深处又载不动船只。形成这种状况由来已久。原先的北平郡治在平岗县，从卢龙塞直通柳城。自汉光武帝建武年间以来，破败断绝近二百年了。”
曹操闻言，不禁犯起愁来，前行道路不通，后退则前功尽弃，顿有欲进不能，欲罢不忍之感。
“但还有一条隐蔽的小路可以找到。”田畴见曹操忧心忡忡，又说，“现在贼方将领大队军马正在通向无终的路上，不能前进，正在后退，松懈没有准备。如果我们率军悄悄返回，从卢龙口越过白檀险要，从空旷地段走出，路又近又好走，乘其不备去攻打，蹋顿可一战而擒。”
曹操闻听有一隐蔽小道，大喜过望，即封田畴为靖北将军，作为向导，为前驱；张辽为先锋，紧随其后；亲自引军押后，率军返回，并在水边路旁竖起木牌，上书“现在正是暑热夏季，道路不通，姑且等到秋冬两季再进军。”表面是通令全军的路标，其实是在麻痹敌人。
敌军骑兵侦探看到木牌，报知统领，乌桓人信以为真，真的以为曹军畏难撤退，不做准备。
曹操命令田畴带领他的部下作向导，凿山填谷，攀越徐无山，行进五百余里，经过白檀、平冈，在平冈转而东向，穿越鲜卑的牧地，又穿过鲜卑部落的王庭，向东直指柳城。
距离柳城二百余里时，乌桓人才知道。
袁尚、袁熙与蹋顿以及辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之等率领数万名骑兵迎击曹军。
八月，曹操登上白狼山，突然与乌桓军相遇。
两军在白狼山遭遇。这是场遭遇战，其实也是场决战。
如果曹操战败，那么全部曹军势必全军覆没于辽西，因为他们没有退路。如果乌桓战败，那么他们的柳城势必失守。
当时乌桓的优势是以逸待劳，兵马“盛众”，但他们面对曹军的到来却措手不及，而且和其他游牧民族一样，单兵能力强，但整体作战弱。
曹操的优势是出其不意，手下都是勇冠三军的猛将和精锐骑兵（包括一些“虎豹骑”），不过因经过十几天的山路和急行军，体力已经大打折扣，更何况曹军的重装主力步兵还在后面，难以及时赶到。
面对多于自己的乌桓军，很多曹军将士感到恐惧和发怵，希望等待后续部队。
正当曹军“左右皆惧”，众人请求缓战时，张辽力劝曹操要趁着敌阵不整而急速出战：“若依众缓战，敌阵不整的战机会稍纵即逝，当速战。”
曹操在白狼山上观察敌阵，看到乌桓军军阵不整，又听张辽的劝战口气奋发，壮之，便采纳了张辽的建议，下定决心，选择急战，并将自己所持麾旗授予张辽。
“持麾者，妄指则乱矣”，说明，“持麾”的作用在于“指”，张辽负责临阵指挥。根据《魏武军令》的“麾前则前，麾后则后，麾左则左，麾右则右。不闻令而擅前后左右者斩。”因此，曹军各部的进攻方向、进攻时机皆由张辽决定。
张辽临时获得了曹操用来指挥部众的麾旗，离开了陡峭的山坡，来到了山谷之中，指挥先锋部队冲向敌阵，与乌桓骑兵在白狼山下展开了一场血战。
徐晃、张郃、鲜于辅、阎柔、曹纯奋勇争先。
乌桓原本“众甚盛”，但看到曹军如此勇猛，其战阵开始崩溃。
混战中，蹋顿当阵为张辽斩杀。
乌桓群龙无首，最后终于被杀得七零八落，“死者被野”，三郡乌桓的主力骑兵在这场决战中开始全面崩溃。
此战中，曹操大获全胜，斩乌桓单于蹋顿及名王以下十余人，俘虏二十余万人。曹操征战乌桓之白狼山战役，成为中国战争史上“兵贵神速、奇兵制胜”的经典战例。
乌桓军大败，蹋顿被斩，袁熙、袁尚失去依赖，自引数千骑投辽东去了。
曹操入柳城，封田畴为柳亭侯，以守柳城。
田畴哭辞：“我本是负义逃劫之人，蒙厚恩得以活命，已感幸甚。怎能以区区小功贪邀厚赏？死也不敢接受侯爵。”
曹操感其义，拜田畴为议郎，又安抚单于人等后即日回兵。
时值晚秋，天气寒凉，又遇上大旱，二百里没有水，挖地三十余丈才见到水。
军队缺乏粮食，只好杀死几千匹战马作为军粮，一路艰辛至碣石山。
曹操不但是一位杰出的政治家、思想家、军事家，也是一位登高必赋的杰出诗人。
曹操登上碣石山，虽然一路艰辛，但却征服了黄河以北广大地区，巩固了后方，为挥戈南下，进而实现统一天下的愿望奠定了基础，喜不自胜，心潮云涌，胸襟开阔，写下了著名诗篇《观沧海》：
东临碣石，以观沧海。水何澹澹，山岛竦峙。树木丛生，百草丰茂。秋风萧瑟，洪波涌起。日月之行，若出其中。星汉灿烂，若出其里。幸甚至哉，歌以咏志。
大意是：东行登上碣石山，观赏那苍茫大海。海水多么宽阔浩荡，山岛高高地挺立在海边。树木和百草丛生，十分繁茂。秋风吹动树木发出悲凉的声音，海中涌着巨大的海浪。太阳和月亮的运行，好像是从这浩瀚的海洋中发出的。银河星光灿烂，好像是从这浩瀚的海洋中产生出来的。我很高兴，就用这首诗歌来表达自己内心志向。
曹操回军至易州时，郭嘉已死数日。