兵到黎阳之后，袁绍派大将颜良进攻驻守白马的刘延。沮授觉得这样不稳妥，就提醒袁绍说：颜良有勇无谋，不能独担大任，袁绍不听。结果曹操带兵援救刘延，只一战颜良便死于阵前。袁绍初战失利，非常恼恨。他决定渡过黄河，倾令力进击曹操。沮授这时劝他留一部分军队在延津，一旦出师不利时可作为后应，袁绍又没采纳。结果派刘备、文丑挑战，又被曹操打得大败，连文丑也丢了性命。颜良、文丑是河北名将，他们被斩，袁绍的军队大受震动。曹操还军官渡后，沮授旧话重提，劝袁绍说：我们的军队人数上占优势，但不如曹操的军队机动灵活；曹操的军队则虽灵活却给养不足，我们应该准备打持久战，拖垮曹操，袁绍听了之后，又是揺头，继续意孤行。他率军推进，近逼官渡。
双方会战，曹军寡不敌众，坚壁不出。于是袁绍造了很高的楼车，堆起土山，派人用箭狂射曹营。这个办法起了一时的效果，曹操的军队出入都得带着盾牌，非常恐惧。但是不久曹操就用抛石车，击破了袁绍的楼车，袁绍又故技重施，想要派人挖地道袭击曹营。结果曹操可不像公孙瓒那样无能，他又在营内挖了长壕来对抗，弄得袁绍尤计可施。双方陷入僵持不久，正当袁绍一时计穷，曹操却派兵奇袭袁绍的运粮车，烧毁袁绍的平粮，袁绍只得又派大将淳于琼等率兵一万多人北运粮草。沮授这回依然苦心不改，劝袁绍派人护军，防止曹操袭击，袁绍好像铁了心，又是不以为然，只让淳于琼单独率军在离大部队在乌巢护卫军粮。
这时，谋士许攸劝袁绍出主意，让他趁曹操全力守官渡的时候，派圬袭击许都。袁绍又不能用，正好许攸的家属犯法，被审配抓广起来，许攸一气之下投降宵橾，将袁军的屯粮要地告诉曹操。并建议奇袭：曹操干是留曹洪守营，亲自带领5000军队乘夜进攻淳于琼。淳于琼被袭的消息很快传到袁绍那里，但他却只派了很少的人去援救。他以为只要攻破督操的军营，就可以断绝曹操的路。是不顾大将张邰的反对，派高览、张合等进攻曹营。最后，曹背还没有攻破，淳于琼却已经被曹操斩死。消息传来，袁绍的军队军心大乱，溃不成军。可怜袁绍以及长子袁谭只率领300人逃过了黄河。其他军队投降之后都被曹操坑浓。沮授来不及渡河。被曹操捉住杀死。
袁绍的失败，使军中很多都人埋怨袁绍当初没办听田丰的话。有人对狱中的田丰说：您定会得到重用的。然而田丰却说：如果我们胜利的话，我还可能活命。现在失败了，我必死无疑。袁绍败军之初，也想到了当初田丰的劝谏。就对谋士逢纪说：冀州人听说我失败，一定会为我担忧的，田丰以前曾经功阻过我，一定在暗地耻笑我，我也没脸去见他了。逢纪向来和田丰不和，趁机诬陷说：田丰听说将军败退，拊手大笑，高兴事情被他说中。袁绍听后恼羞成怒，后来果然派人杀死了田丰。冀州的城邑很多都叛变了袁绍，渐渐稳定了局势。但官渡之败对他打击太大了，不久忧愤成疾，于公元202年吐血而死。
袁绍生前对长子袁谭以及三子袁尚都很喜欢。后来虽然倾向让袁尚做自己的继承人，但始终没有确定下来。这样在袁绍死后，袁谭、袁尚互不相容，最终互相争斗，使曹操坐收渔人之利。袁谭、袁尚相继殒命，袁氏势力归于烟消云散，司马光《资治通鉴》评价袁绍：为人宽雅，有局度，喜怒不形于色，而性矜愎自高，短于从善，故至于败。