因為屢諫而被嫌棄的沮授，這時又站出來勸阻說：「戰爭勝負變化莫測，不能不周密計劃。大軍應當留屯延津，另分兵進攻官渡。如能攻克，再迎大軍也不遲，否則就有全軍覆沒的危險。」
袁紹不從。沮授在大軍即將渡河的時候歎息：「在上者驕傲，在下者貪功，悠悠黃河，我還能渡回來嗎！」
他推托身體有病，不願過河。袁紹非常氣惱，強迫沮授隨軍渡河，而把他所部軍隊割屬郭圖。袁紹渡河後，駐屯在延津南面。
他派出劉備、丑挑戰，被曹軍打敗，大將丑被斬。再戰，又折兩員戰將和許多人馬，袁軍中大為震恐。
曹軍退還官渡後，袁軍集結在陽武，沮授又對袁紹說：「北軍人多，但英勇善戰不如南軍；南軍糧少，物資儲備不如北軍。南軍利於速戰，北軍利於緩兵。所以我軍應打持久戰，拖延時日。」
袁紹仍然不從，他命令部隊逐漸逼近官渡，緊靠曹軍紮營，軍營東西綿延數十里。
九月，兩軍會戰，曹軍失利，躲進營壘中堅壁不出。袁紹修築壁樓，堆起土山，從高處發箭射擊曹營。
箭如雨下，曹營中的將士只得蒙著盾牌走路。但壁樓、土山不久就被曹軍的「霹靂車」轟毀了。
袁紹又暗鑿通往曹營的地道，曹軍則在營中挖掘長溝進行防禦。袁軍的運糧車還遭到曹軍的襲擊。
兩軍相持了一百多天，河南老百姓困苦不堪，很多人背叛曹軍，響應袁軍。
相持期間，袁紹先後派劉備、韓荀襲擊許都，但是皆被曹仁擊敗，因此不再分兵復出。
然而，這種有利於袁紹的形勢卻突然急轉直下。
這時，袁紹派淳於瓊帶領萬餘人北迎運糧車，沮授特意提醒說：「可增派蔣奇領一支人馬在淳於瓊外側，以防止曹操偷襲。」
而謀士許攸則提出乘曹操傾軍而出，輕騎奔襲許都的建議。
然而，袁紹因之前韓荀和劉備襲擊許都失敗，不想再分兵冒險。
事有湊巧，在鄴城的許攸家族中有人犯法，被留守的審配抓進監獄，許攸大為不滿，於是投奔曹操。在許攸的謀劃下，曹操親自領兵赴烏巢，襲擊淳於瓊。
當曹操奔襲烏巢之時，袁軍部將張郃主張救淳於瓊，他對袁紹說：「曹操親自出馬，必然得手，那麼事情就無可挽回了。」
郭圖卻別出心裁地說：「不如乘此時發兵去進攻曹軍大營。」
袁紹認為郭圖說得對，只要攻拔曹營，曹操就無家可歸了。
於是派高覽、張郃率領重兵攻擊曹營，而只派輕騎救援烏巢。
高覽、張郃攻營不下，烏巢大敗的消息已經傳來了，二將無心戀戰，竟自向曹軍投降。
插一句，這裡其實是郭圖作祟，害怕袁紹怪罪於自己。
於是叫來一親信道：「你去見高覽，張郃，就說主公要治他兩人敗軍之罪」。
於是便有了兩人投曹的事。
袁紹全軍大亂，一下子全垮了。慌忙之中，袁紹及長子袁譚各單騎逃遁，直奔黃河渡口，隨後又逃來一群騎兵，約有八百騎，渡河至黎陽北岸。
這一仗袁紹損失七、八萬人，武器、輜重、圖書、珍寶無數。
當他跌跌撞撞走進部下蔣義渠營帳中時，握著蔣的手，無比傷感地說：「我把自己的腦袋都交給你了。」
官渡敗後，有人對田豐說：「你必將受重用了。」
田豐平靜地回答說：「如出兵打勝了，我一定能夠安全。如今兵敗，我必死無疑。」
果然，袁紹回到鄴城，說：「我當初不聽田豐之言，今天真的要讓他笑話了。」於是下令殺了他。
官渡之戰，審配的兩個兒子被曹操活捉。
孟岱與審配有矛盾，就通過蔣奇對袁紹說：「審配在任獨攬權力，宗族大，兵力強，而且兩個兒子在南方，他必定想反叛。」
郭圖、辛評也這麼認為。袁紹於是任命孟岱為監軍，代替審配把守鄴縣。護軍逢紀同審配不和，袁紹就逭件事詢問逢紀，逢紀回答說：「審配天性剛烈率直，每次所說的話和所做的事，都仰慕古人的節操，不會因為兩個兒子在南邊而做不義的事情，您不要對他懷疑。」
袁紹說：「你不是討厭他嗎？」逢紀說：「從前所爭的屬於個人私事，現在所說的是國家大事。」袁紹說：「太對了。」於是沒有罷免審配。自此審配、逢紀的關係更融洽了。
回到冀州後，袁紹陸續平定了各處的叛亂。
不久，袁紹發病，死於公元202年（建安七年）夏天。由於袁紹平素有德政，去世之時，河北百姓沒有不悲痛的，市里巷間揮灑著眼淚，如同失去親人一般。
審配等矯袁紹遺命，奉袁尚為嗣。
袁譚、袁尚為了爭權相攻，被曹操各個擊破。
公元205年（建安十年），袁譚被殺，袁尚與二兄袁熙逃亡遼西烏桓。
公元207年（建安十二年），曹操北定烏桓，袁尚、袁熙敗走遼東，被公孫康所殺。
 
曹操曾經評價袁紹道：「吾知紹之為人，志大而智小，色厲而膽薄，忌克而少威，兵多而分畫不明，將驕而政令不一，土地雖廣，糧食雖豐，適足以為吾奉也。」「及至袁紹據河北，兵勢強盛，孤自度勢，實不敵之。」
陳壽曾評價道：「袁紹、劉表，鹹有威容、器觀，知名當世。表跨蹈漢南，紹鷹揚河朔，然皆外寬內忌，好謀無決，有才而不能用，聞善而不能納，廢嫡立庶，捨禮崇愛，至於後嗣顛蹙，社稷傾覆，非不幸也。昔項羽背范增之謀，以喪其王業；紹之殺田豐，乃甚於羽遠矣！」
袁紹墓一說位於商水縣袁老鄉袁老村，據傳袁紹憂憤而死後，早年跟隨他南征北戰的族人，趁著夜間天黑的時間，將袁紹屍體走水路運回家鄉袁老，埋葬在曹河岸邊。當時，為了怕再遭曹操的報復，袁紹的後人還特意將曹河改寫成漕河，漕河一直沿用到今。
此地的袁紹墓當時很大，後經雨水沖刷，逐漸變小，袁老附近的村民都稱其為雞心灘，也叫袁金灘。為祭奠先人，每逢初一、十五，袁氏後人到袁金灘燒香祭祖，這個風俗一直沿襲了下來。