在曹操的主力军队尚未到达白狼山战场之，临时持麾的张辽就已经指挥先锋部队击破了乌桓军队并斩杀乌桓单于蹋顿，因此，白狼山之战是一场以少胜多的战役。战役的结果曹操方面取胜，基本统一了中国北方;乌桓的领地则被摧毁，之后乌桓的势力被逐渐削弱，该部落的人口融入汉人或鲜卑部落，最终淡出历史舞台。
早在206年(建安十一年)，曹操让董昭修建了两条漕运：一是“平虏渠”，由今河北省饶阳县至沧州市。一是“泉州渠”，在今天津市宝坻、武清二县境。这样做是为了便于运粮北上。 在北上之前，曹军很多将领提出了异议，他们认为：“袁尚已成流寇，夷狄贪婪无亲，岂能为袁尚所用!一旦我们深入征伐之，刘备必定说服刘表袭击许都。若此事发生，后悔都没用了。”领军史涣以为道远深入，非完计也，欲与韩浩共谏，被韩浩劝阻。
针对这种言论，曹操的谋臣郭嘉做了精辟的分析，他说：“乌桓恃其边远，肯定不会做准备，我们应该出其不意，这样即使孤军深入也一定能击败他们。况且袁氏与乌桓关系非同一般，而河北百姓对袁家还有一些感情，一旦北方未定而南征，袁氏兄弟和乌桓会为患，新安定的北方各州也将丢失。荆州牧刘表不会被刘备说服袭击许都的，他除了坐谈以外无所作为，知道自己的才能不足以驾驭刘备，并不信任，若予以重任则担心不能制住刘备，如仅予以轻任，则刘备不愿为之所用。”曹操采纳了郭嘉的建议，决定北征乌桓。
207年(建安十二年)五月，曹操率领大军抵达无终(今天津市蓟县)，兵临塞口，准备出滨海道，过碣石，进攻柳城。从曹操此次北上带到无终的将领来看，除了本地人，就是一些骁勇的“骑将”，可见曹操是做好大规模骑兵作战的准备，他们分别是：张辽、徐晃、张郃、张绣、鲜于辅、阎柔、曹纯;另外有牵招、郭嘉等人。可眼看大军就要启程进军辽西，天公却不做美，夏秋季节大雨连绵，“浅不通车马，深不载舟船”，“傍海道不通”，进军时间不得不一拖再拖，一直到了秋七月。此时的乌桓也已经有了准备，“遮守蹊要，军不得进”。这样看来似乎只有退军这一条路了。如果此时退兵，那么将前功尽弃，任由二袁养成气力，将来乌桓骑兵一定会时常骚扰幽州，那时曹操的背后就永无宁日。曹操当然不会轻易的离去，他在徐无山(今河北玉田东北二十里)请出了当地的向导----田畴。
乌桓军的大本营在柳城，由无终发起的攻击线穿过渤海沿岸的平原地带。但七月，雨季降临，大雨在低地泛滥，道路泥泞，使得这片地区不能通过了。乌桓也料到了这条进攻线路，扼住河口，曹操军一时不能前进。
曹操就战况求助于熟悉当地且早先和乌桓有过争执的田畴。田畴告诉曹操一条通往西汉废弃的前沿领地的废弃道路。从那里军队可以行经无防守的地带，在乌桓最想不到的地方予以攻击，若如此做，“一仗也不用打就能得到蹋顿的首级”。曹操大喜过望，采纳计划，回师无终，命部下在水边的路上树立标志，写上：“中夏时节，道路不通。我们等秋冬了再进军。”敌军哨兵看到标志，相信曹操真的撤军了。如田畴所料，乌桓人大为失算，以为任何不能穿越平原地带的军队都会撤回。
七月，郭嘉建议“兵贵神速”，要曹操丢下辎重，迫使军队轻装前进，以免拖后腿和警醒敌军，曹操谨记在心。临走前，曹操又命人在滨海道旁立个牌子，上书：“方今暑夏，道路不通，且俟秋冬，乃复进军”，表面是通令全军的路标，其实是为了麻痹敌人。乌桓人看到，信以为真，“诚以为大军去也”，不做准备。可他们无论如何没想到曹操会出卢龙塞。在田畴带路下，曹操率军轻装创造了被认为其戎马生涯中最值得纪念的军事冒险之一。他们攀越徐无山，经卢龙塞退出中国边境进入滦河上谷，在这片艰难的地区进军五百余里，在平冈转而东向，穿越鲜卑的牧地，再次进入东汉边境的山脉。这时曹操军已经包抄了蹋顿的防守营寨，正沿到海的方向直线前进，即将把敌军的领地一分为二。但即使是到了平冈，离柳城还是有百余公里的距离。
决战
八月，曹军一直急行军到距离柳城不足“二百里”的白狼山附近，袁尚、袁熙与蹋顿单于、辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之才仓皇集结“数万骑”向西迎敌。两军在白狼山遭遇。这是场遭遇战，其实也是场决战。如果曹操战败，那么全部曹军势必全军覆没于辽西，因为他们没有退路。如果乌桓战败，那么他们的柳城势必失守。当时乌桓的优势是以逸待劳，兵马“盛众”，但他们面对曹军的到来却措手不及，而且和其他游牧民族一样，他们单兵能力强，但整体作战弱。曹操的优势是出其不意，手下都是勇冠三军的猛将和精锐骑兵(包括一些“虎豹骑”)，不过他们经过十几天的山路和急行军，体力已经大打折扣，更何况他们的重装主力步兵还在后面，难以及时赶到，面对多于自己的乌桓军，很多曹军将士们也都感到恐惧和发怵，希望等待后续部队。虽然，曹军“左右皆惧”，众人请求缓战，但是，张辽力劝曹操要趁着敌阵不整而急速出战。敌阵不整的战机会稍纵即逝，张辽劝战的语气也就非常奋发。曹操在白狼山上观敌阵时，看到乌桓军军阵不整，又看到张辽的劝战急攻，壮之。终于，曹操采纳了张辽的建议，下定决心，选择急战，于是，“自以所持麾授辽”。根据《淮南子·主术训》的“军之持麾者，妄指则乱矣”，说明，“持麾”的作用在于“指”，张辽负责临阵指挥。根据《魏武军令》的“麾前则前，麾后则后，麾左则左，麾右则右。不闻令而擅前后左右者斩。”因此，曹军各部的进攻方向、进攻时机皆由张辽决定。
张辽临时获得了曹操用来指挥部众的麾旗，于是，离开了陡峭的山坡，来到了山谷之中，指挥先锋部队冲向敌阵，曹军的精锐骑兵与乌桓骑兵在白狼山下一场血战。徐晃、张郃、鲜于辅、阎柔、曹纯奋勇争先，数万骑兵的大混战，可以想象战斗的惨烈。乌桓原本“众甚盛”，但看曹军如此勇猛，其阵行开始崩溃，混战中，蹋顿当阵为张辽斩杀，一说为曹纯部虎豹骑俘获后斩首 。乌桓群龙无首，最后终于被杀得七零八落，“死者被野”，三郡乌桓的主力骑兵在这场决战中开始全面崩溃。此战中，曹操大获全胜，斩蹋顿及名王以下十余人，俘虏二十余万人。
此后，曹操收乌桓精锐，之后率其征讨四方，号称“天下名骑”，边民也因此得以安居生息。
