建安九年公元204年二月，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。夏季，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，把漳河水引入壕沟，完全断绝了邺城内外的联系。城中人饿死大半。
秋季，七月，袁尚率军一万人回救邺城。在未到前，想让审配了解外面的形势，先派主簿、巨鹿人李孚入城。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，李孚乘机批开营门，急驰到城下，向城上呼喊，城上的守军放下绳子，把李孚等吊上城去。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。”他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军投降。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，还未安全围住时，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，袁尚部将马延、张等临阵投降，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。
审配哥哥的儿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，并赐给绸缎丝绵等，发给生活费用。
九月，献帝下诏，任命曹操兼任冀州牧。曹操接受此职后，辞去所兼兖州牧的职务。
起初，袁尚派从事、安平人牵招到上党去监督运输军粮，牵招还没有回来，袁尚已逃到中山。牵招劝说并州刺史高干迎接袁尚到并州来，合力以观察局势变化，高干不听。牵招于是到东方投奔曹操，曹操仍任用他为冀州从事。曹操又延聘崔琰为别驾，对崔琰说：“昨天，我翻阅冀州的户籍，可以征召到三十万人，所以是个大州。”崔琰回答说：“如今天下分崩离析，袁氏兄弟自相残杀，冀州的百姓陷于水深火热之中，死尸遍布原野而无人掩埋。如今朝廷大军进驻冀州，没有听到有慰问民间疾苦，拯救百姓的举动，反而先计算兵员的数量，唯独将此放在首位，这岂是敝州百姓对您的期望呢！”曹操改变态度，郑重地向崔琰道歉。
许攸仗恃功劳，态度傲慢，曾在众人坐在一起的场合中，喊着曹操的小名说：“曹阿瞒，要不是我，你得不到冀州！”曹操笑着说：“你说得对。”但心里感到不高兴，后来竟杀掉了许攸。
高干归降曹操，献出并州，曹操仍任命他为并州刺史。