建安九年（公元204年）二月，曹操率军进入洹水，期间正值袁尚攻击袁谭，留下苏由、审配守护邺城（今河北省邯郸市临漳县），苏由闻公至即投降。留下曹洪攻击邺城，曹操亲自率军攻克毛城的尹楷和邯郸县的沮鹄守军。易阳县令韩范及涉县长梁歧献城投降，被封关内侯。五月水淹邺城，袁尚回兵救邺。七月大败袁尚的援军，袁尚欲投降，不许。袁尚逃往中山国，部下马延、张凯投降，追击袁尚军，得其全部辎重。审荣开城投降，审配不降而斩之。自此邺城平定，曹操祭祀袁绍，并善待其家人，下令免税和惩罚豪强，百姓乐之。汉献帝任曹操为冀州牧，曹操同时辞去了兖州牧。

建安七年（公元202年），袁绍病死，曹操渡河攻袁谭、袁尚，两军连战多场，二袁数败，退而固守。曹操又命钟繇与关中军阀马腾等合兵，在河东大破袁氏大将郭援与南匈奴的联军。之后，曹操听从谋士郭嘉的计策，暂且撤军，坐待二袁内斗。不久，袁谭、袁尚果然为争位发生火拼。袁谭不敌袁尚，向曹操乞降。曹操乘二袁火并之际，发兵河北，欲一举平定河北。

建安九年（公元204年）正月，曹操渡过黄河。曹操派人堵住淇水，使其流入白沟，以便运输军粮。

二月，袁尚又到平原去进攻袁谭，留部将审配、苏由镇守邺城。曹操进军到洹水，苏由打算为曹操作内应，因密谋泄露，苏由就出城投奔曹操。曹操大军到达邺城后，上筑土山，下挖地道，发动进攻。袁尚委任的武安县县长尹楷驻军毛城，以保护通向上党的粮道。四月，曹操留曹洪继续攻打邺城，亲自统军进攻尹楷，击败尹楷后回师。又去进攻镇守邯郸的袁尚部将沮鹄，攻陷邯郸。

易阳县县令韩范、涉县县长梁岐都献出县城，投降曹操。徐晃对曹操说：“袁氏兄弟还未被打败，未归降的诸城都在侧耳倾听，应该表彰奖赏这两个县的官员，为那些城作个榜样。”曹操听从了，将韩范、梁岐都封为关内侯。黑山军首领张燕派使者来拜见曹操，请求派军协助曹操进攻袁氏兄弟，曹操委任他为平北将军。

五月，曹操毁去土山、地道，开凿壕沟，包围邺城，围圈达四十里。最初让挖得很浅，看去好像可以越过。审配在城上看见，放声大笑，没有派兵出来破坏。曹操派人乘夜疏浚，一夜之间，挖成深二丈、宽二丈的深壕，把漳河引入壕沟，完全断绝了邺城内外的联系。城中人饿死大半。

七月，袁尚率军一万余人回救邺城。在未到前，想让审配了解外面的形势，先派主簿、钜鹿人李孚入城。李孚砍下树枝作为责打人的刑杖，系在马旁，自己戴上武官用的头巾，率领三名骑兵，黄昏时到达邺城。李孚自称为都督，从北边进入围城的曹军大营，顺着标志，向东巡查，一路上不断叱责守围的将士，根据违反军中法纪的轻重，分别给予处罚。经过曹操大营前，巡视到城南，对着邺城正南的章门，李孚又大声责骂守围将士，把他们捆绑起来。然后，李孚乘机打开营门，急驰到城下，向城上呼喊，城上的守军放下绳子，把李孚吊上城去。审配等看见李孚，悲喜交加，高声欢呼“万岁”！守城将士向曹操汇报，曹操笑着说：“这个人不但能进城，还会再出来。”李孚知道外边围困得更紧，不能再假冒曹军出城，就请审配把城中的老弱全都放出城去，以节省粮食。晚上，挑选出老弱数千人，让他们全都手持白旗，从三个城门一同出去向曹操投降。李孚又带领那三个骑兵也打扮成投降人的样子，杂在人群中，乘夜突围而去。

袁尚的援军到达以后，曹军将领们都认为：“这是思归之军，人人都将拼死作战，不如先避开。”曹操说：“袁尚如果从大路来，应当避开；如果沿着西山来，则将被我们击败。”袁尚果然沿着西山向邺城出发，在距邺城十七里的阳平亭，在滏水边扎营。晚上，点火告知城中守军，城中也点火相应。审配率军出城，驻在城北，准备与袁尚内外夹击，冲破曹军的包围。曹操迎击审配，审配抵挡不住，退回城里。袁尚也被曹军击败，退到漳河拐弯处安营。曹操于是包围袁尚营寨，还未完全围住时，袁尚畏惧，派使者向曹操请求投降，曹操拒绝接受，加紧部署包围。袁尚乘夜逃走，退守祁山。曹操又进军包围，袁尚部将马廷、张凯等临阵投降，袁尚全军溃散，袁尚逃往中山。曹军俘获了袁尚的全部辎重，得到袁尚的印绶、节杖、黄钺以及衣物等，拿去给邺城守军看，守军斗志顿时崩溃。审配命令将士们说：“坚守死战！曹操已经疲惫不堪了，袁熙率领的幽州援军就要来到，我们还怕没有人来作主吗！”曹操出营巡视围城部队，审配埋伏强弩射击，几乎射中曹操。

审配的侄子审荣为邺城东门校尉。八月戊寅（初二），审荣乘夜打开城门，放曹军入城。审配在城中抵抗，被曹军生擒。辛评的家眷被关押在邺城监狱中，辛毗赶去，打算救护他们，但全家都已被审配下令杀死。

曹军士兵把审配绑起来带到大帐，辛毗迎面用马鞭猛抽审配头部，大骂他说：“奴才，你今天死定了！”审配瞪着辛毗说：“狗东西，正是由于你们这些人，冀州才遭到曹军蹂躏，我恨不能亲手杀死你。而且，你今天能决定我的生死吗！”过了一会儿，曹操接见审配，对他说：“那天我巡视围城部队，你怎么有那么多弓弩！”审配说：“我还恨弓弩少！”曹操说：“你效忠于袁氏，也不得不那样做。”有心宽恕审配。但审配意气壮烈，始终不说一句屈服求饶的话，而辛毗等人在旁号哭不止，曹操遂下令杀死审配。冀州人张子谦先投降了曹操，他一向与审配关系不好，笑着对审配说：“审配，你到底比我怎么样？”审配厉声叱责他说：“你是投降的俘虏，而我是忠臣，虽然一死，难道羡慕你活吗！”等到行刑时，审配大声命令刽子手让自己面向北方，说：“我的君主在北方。”曹操亲自去袁绍墓前祭祀，痛哭流涕。安慰袁绍的妻子，退还袁家的金银财宝，并赐给绸缎丝棉等，发给生活费用。

之后，曹操把自己的据点北迁到了安阳邺城，政令军队此后皆从此出，而汉献帝的都城许昌则只留些许官吏。

建安十年（公元205年）正月，曹操又以负约为名，攻灭袁谭，冀、青二州平定。于是，曹操上表让还兖州牧，改任冀州牧。袁尚兵败后，逃奔幽州刺史袁熙。不久，袁尚、袁熙又逃奔三郡乌桓。

建安十二年（公元207年），曹操为了肃清袁氏残余势力，也为了彻底解决三郡乌桓入塞为害问题，率军北征，在白狼山大破乌桓，袁尚、袁熙败逃辽东，不久，公孙康果然斩杀袁尚、袁熙，并将其首级献与曹操。

在邺城之战，曹操采用围城打援、放水淹城的方式，历经半年苦战，终于攻克袁氏经营十几年的根据地邺城，自此，袁尚如同丧家之犬，四处逃奔，败亡已成定局。

而在此战中，邺城守将审配困守孤城、宁死不降的表现则颇受后世学者赞誉，刘宋学者裴松之称审配为“一代之烈士，袁氏之死臣。”

小说《三国演义》中，有诗歌赞曰：“河间多名士，谁如审正南；命因昏主丧，心与古人参。忠直言无隐，廉能志不贪；临死犹北面，降者尽羞惭。”

明清时期学者钟敬伯评价说“水淹邺城，曹瞒以阴谋取胜。最痛快者，惟审配不屈数语也。虽未纯忠，以视许攸卖主献城，不啻霄壤。配真汉子哉！”民国学者蔡东藩则认为：“审配为袁氏旧臣，始不闻以立长之经劝袁绍，继不闻以友于之义谏袁尚，亡袁之咎，配亦难辞；但观其誓守孤城，死不降曹，亦有足多者。”