曹操同意了田畴的意见，就率大军返回，在水边路旁竖起大木头，写上：“今正值暑热夏季，道路不通，姑且等到秋冬两季再进军。”
乌桓骑兵哨探看到了，便以为曹军真的已经退走了，蹋顿也就没有多做准备，乌桓人没想到曹操会兵出卢龙塞。
在田畴带路下，曹操率军轻装骑行开始了一场军事冒险。他们攀越徐无山，经卢龙塞出边境进入滦河上谷，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。
此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。
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，也是场决战。若曹操战败，那么曹军势必全军覆没于辽西，因为他们没有退路。若乌桓战败，那么柳城势必失守。
乌桓的优势是以逸待劳，而且几乎全都是骑兵，但他们面对突然出现的曹军却措手不及。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，手下都是吕布、张辽、徐晃、夏侯渊、张合、张绣、史涣、鲜于辅、阎柔、曹纯这样勇冠三军的骑兵猛将，还有百战余生的精锐骑兵和虎豹骑。
曹操早已做好了大规模骑兵战的准备，只不过曹军骑兵经过十几天的山路和急行军，体力已经大打折扣。而且曹军的重装主力步兵在后面，面对数量多于自己的乌桓军，很多曹军将士们也都感到恐惧和发怵，希望等待后续部队。
在紧张的氛围中，张辽劝曹操道：“今我军与乌桓狭路相逢，唯有奋勇力战！”
张辽此时按剑而立，曹操看张辽气吞山河，勇猛无畏，惊叹张辽的雄壮。曹操又登上白狼山观察敌阵，看到乌桓军阵不整，阵形松散。
曹操将用来指挥部众的麾旗赐给了张辽，命张辽指挥先锋骑兵直冲敌阵，曹军的精锐骑兵从山上冲杀下来，与乌桓骑兵在白狼山下一场血战。
吕布、徐晃、张合、史涣、鲜于辅、阎柔、曹纯等将各引骑兵奋勇争先，数万骑兵的大混战，可以想象战斗的惨烈。乌桓原本就人心惶惶，一看曹军如此勇猛，其阵型开始崩溃。
特别是吕布，吕布自恃骑战第一，怎可被张辽抢了先？吕布一杆方天画戟扫到之处，只留下一个个乌桓骑兵的尸体。
混战中，蹋顿刚斩杀了几名曹军骑兵，迎上一手持长戟的骑将。此人正是张辽，张辽冲得太猛，竟然直冲到蹋顿的面前。
蹋顿与张辽大战十五合，终是敌不过张辽，被张辽斩于马下。吕布刚斩了蹋顿麾下几名大将，寻蹋顿而来，却见张辽已斩蹋顿，吕布嘴角微微一笑，朝张辽笑道：“文远，你变强了！”
“温侯，不好意思，张辽抢先了一步。”张辽割下蹋顿的首级说道。
吕布扬起方天画戟笑道：“无妨。文远，你我便来比一比谁杀得敌军多吧！”
“好！”张辽策马挺戟带着蹋顿的首级一阵冲杀，乌桓骑兵全都畏惧地退开。
右北平单于能臣还在惊鄂之中，一员手持方天画戟的绝世猛将便冲到了阵前，他的亲卫和武将们都拦不住吕布。
吕布暴虐地挥戟刺死一名又一名乌桓兵，策动坐下西凉战马冲到能臣的马前，能臣还来不及反应，被吕布一戟刺于马下。
曹纯率领的虎豹骑也是爆发出了惊人的战力，他们要用实力证明虎豹骑这天下精骑的地位。数千虎豹骑在曹纯的率领下直插入乌桓骑兵核心，马背上的民族居然被这支中原骑兵从正面击溃了。
曹军俘获、斩首乌桓各部落的番王十多名，乌桓大军终于被杀得七零八落，三郡乌桓的主力骑兵在这场决战中开始全面崩溃。
辽东单于速仆丸与袁尚、袁熙投奔辽东太守公孙度，众将劝曹操追击。曹操顾忌公孙度的实力，大军刚经历长途跋涉和大战，不可再与公孙度交战，便退军回去了。
白露、红叶、金风、征雁，如诗如画的景色，在刚刚取得空前胜利的曹操眼里已经变得微不足道。他并未在此驻足，而是策马从柳城直奔海滨。
面对波涛汹涌、一望无际的大海，曹操挥笔写下了大气磅礴的《观沧海》。壮心不已的曹操并未因乌桓的投降而心存怜悯，随后，他把三郡乌桓万余落投降者及乌桓校尉阎柔所统辖的幽、冀州乌桓万余落迁移到内地。很多年后，这些乌桓人渐渐被汉人同化。
曹操到易县探望郭嘉，询问是否应乘胜平定辽东，郭嘉带病说道：“公孙度不久必死，其子继位，必不敢得罪主公。且好生安抚公孙度，公孙度一死，袁尚、袁熙两兄弟必死。”
曹操为了安抚公孙度，征召公孙度为武威将军，封永宁乡侯，公孙度说：“我王辽东，何永宁也？”
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