四年，于邺城漳水畔筑铜雀台。
五年七月，汉帝束发，太祖自邺城往贺，既至长安，群丑震怖，王允联诸逆相约谋太祖，重申旧誓。未几，与会者八人，出首者四也。公卿请为大将军，不应。将复请，外戚城门校尉董承、左中郎将伏完、右中郎将王斌忧之，相约为乱，起兵攻武库不得，事败见诛。左右复请杀王氏二子，并入宫处置董、伏二贵人。太祖喟然对曰：“吾负汉室行数载至此，虽得善始，不能善终，已多愧矣，焉能为区区意不平复违臣节？”左右虽应之，多不值也。太祖赦王允，留公孙瓒守长安，自将军征蜀。至陈仓，以益州牧刘焉长子范为使，劝降其父；以成都赵谦为司徒，招抚益州各郡长吏；以骑都尉赵云为先锋，出散关，扼武都道；以镇西将军公孙越为后军，同雍州牧钟繇转运粮草。未几，使者未归、后军未至，粮草未齐，有凉州西四郡属官武威庞至，俱言西域之散乱，西部鲜卑之骚扰，四郡士民之悲苦，彼言辞恳切，椎心泣血，席中多有落泪者。太祖感其忠，叹其诚，遂斫案立誓，易兵向西。韩遂、马腾，闻之丧胆。腾子超为义从队率，跪请于腾，固劝之，乃降，拜为执金吾。遂欲西窜，未行，闻赵云已凿穿武山，立营于狄道，断其通路，遂无奈东向请降。太祖拜其为平西将军，领西域都护，驻它乾城，维护丝路商道。加云冠军将军，赠秩。
凉州既定，太祖分其为臧、凉二州，各设守牧。复南向征蜀，至汉中，太守张鲁孤身来归，太祖仍以其为守，以赵云领一军驻武都镇之。将欲复前，忽闻汉帝为杨氏所惑，弃公卿皇陵东行，虎贲中郎将京泽从之，太尉刘虞阻于清明门，汉帝使侍中杨琦发矢杀之，遂逃南阳。太祖无奈，弃蜀地而还长安。
六年正月，群臣上表，以召公故事，议加太祖燕公，都督河北十一州军事，实封辽西、右北平、渔阳、广阳、涿五郡。太祖三辞乃受之。燕国肇基，立三相四台六部十二寺。七相之贵，汉武以来未始有也，天下轰传，士林侧目。有志之士，纷至沓来，邺下为之不通。
四月，太祖三行表于南阳，谏汉帝回御长安，冀其希望于万一，然终无所得，不得已遂兴兵。曹操刘备，亦联兵拒之。曹操操兵，刘备备粮。
五月，太祖以徐晃、张颌为先锋，渡河拔白马。操亦遣夏侯渊领五千骑进至延津。太祖察之，亲率大军围猎，张辽阵斩渊。操退至濮水南立营，太祖亦进至水北，各拥十万之众，连营对峙。居有旬，思破敌之策，遂以娄圭统步卒守营，自将四万骑西行，欲入司州，走中牟，直击陈留，取操之背。至官渡，而操已修筑营垒，固守以待。太祖叹之，察其兵少，令众将速攻，战未毕，操已率大军倍道来救。战至昏，太祖军渐胜，继而大破之，杀伤无算。操军曹纯、曹休、吕岱、陈到、许褚、王必等，皆战殁。然终不能克其垒，及天明，曹仁引兵三万至，太祖亦收兵，于其北隔河筑垒。操度量军力，乃尽弃汴水以北，固守官渡。太祖亦移营至官渡，对峙如故。太祖自统御海内，芟夷丑，其行军用师，大较依孙、吴之法，而因事设奇，谲敌制胜，变化如神。临事又手为节度，从令者克捷，违教者负败。与虏对陈，意思安闲，如不欲战，然及至决机乘胜，气势盈溢，故每战必克，军无幸胜。一生用武，殊无敌手，唯曹操稍可相对也。
至九月中，战愈酣，首相吕范长子扶死于战中，太祖闻之不言。时仁皇帝未加冠，与诸近侍皆劳动于白马，翌日皆充入官渡，左右皆震怖。忽闻关羽白衣渡江，取下邳，破周瑜。操闻之大惊，以无胜机，乃行险纳黄盖策，遣其诈降，自将八营设伏于乌巢，又遣七军匿行往袭邺城。太祖洞悉其谋，反击而破之。北行七军，匹马无返。乌巢九营，死伤枕籍。曹刘名将，零落殆尽。操无奈弃官渡南遁，为吕布所卖，