军北上，抵达无终（今河北玉田）。当时正值盛夏雨季，沿海道路积水成泽，浅处无法通行车马，深处不能承载舟船，大军寸步难行。
危急之时，当地名士田畴前来拜见，向曹操献策：放弃积水难行的滨海大道，改走一条早已废弃、但仍有小径可寻的旧道，出其不意，直插乌桓腹心。
曹操从其计，在田畴引导下，大军登徐无山，出卢龙塞（今河北喜峰口一带），一路开山填谷五百余里，穿越人迹罕至的险地，如神兵天降，直指乌桓老巢柳城（今辽宁朝阳南）。
八月，曹军进至离柳城不足二百里时，乌桓才猛然察觉。蹋顿当即与袁尚、袁熙等人集合数万精锐骑兵，仓促迎战。
两军相遇，乌桓骑兵人数众多、气势极盛；而曹军主力辎重尽在后方，披甲战士不多，左右将士无不惊惧。唯有大将张辽力主速战，极力劝说曹操立刻出击。
曹操登高远望，见乌桓军虽多，却阵势不整、号令不一，战机就在眼前。他当机立断，将自己手中的指挥麾旗授予张辽，令其暂领先锋，全权指挥突击。
张辽手持大旗，身先士卒，趁乌桓阵势尚未稳住、阵脚微动之机，率精锐铁骑发起雷霆猛攻。乌桓军大败，尸横遍野，单于蹋顿被当场斩杀，群龙无首，全军溃散。
白狼山一战，曹军大获全胜，胡、汉各族归降者达二十余万之多，三郡乌桓主力被彻底歼灭。
袁尚、袁熙等人仅带少数亲骑，向东逃窜，投奔割据平州的公孙康。
此时，麾下诸将多劝曹操乘胜东进，一举击灭公孙康，捉拿袁尚、袁熙。
曹操却笑着摇头：“我不用动兵，自会让公孙康斩下袁尚、袁熙的首级送来。”
于是下令全军班师回朝。
果然，曹军刚一撤退，公孙康便设计斩杀袁尚、袁熙，将其首级送至曹操营中。
诸将大为叹服，纷纷请教缘由。曹操道：“公孙康素来畏惧袁尚等人。我若急攻，他便会与袁尚合力抵抗；我若暂缓进兵，他们必然自相图谋。这是形势使然。”
至此，曹操彻底攻破三郡乌桓，肃清袁氏所有残余势力，北方全境，真正归于一统。
十一月，曹操率军行至易水，代郡乌桓行单于普富卢、上郡乌桓行单于那楼，率领各部名王、首领纷纷前来拜见祝贺，北方胡族尽
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