大军走到易县的时候，郭嘉又说：“用兵打仗，讲究的是速度。咱们现在千里奔袭，带着这么多粮草辎重，根本跑不快，等乌桓人得到消息，肯定提前做好准备。不如把辎重留下，轻装前进，打他们个措手不及。”
之前，袁绍多次派人去无终请田畴出来做官，还直接给田畴封了将军印，让他管理当地百姓，田畴都拒绝了。曹操平定冀州后，河间人邢颙对田畴说：“黄巾起义到现在二十多年了，天下大乱，百姓四处逃亡。听说曹操法令严明，老百姓早就厌倦战乱了，乱到极点就会迎来太平，我先去投奔曹操，给大家带个头。”说完就收拾行李回老家了。田畴感叹说：“邢颙真是个有远见的人。”曹操任命邢颙为冀州从事。田畴一直痛恨乌桓杀害本郡的官员和百姓，早就想报仇，可惜自己力量不够。曹操派人来请他，田畴马上让手下收拾行李准备出发。手下人很奇怪：“以前袁绍五次派人来请您，您都不肯去，现在曹操的使者一来，您就急着要走，这是为什么？”田畴笑着说：“这不是你们能明白的。”田畴跟着使者到了曹营，曹操任命他为蓚县县令，随军驻扎在无终。
当时正是夏天雨季，沿海地区地势低洼，道路泥泞难行，乌桓军队又把守着险要路口，曹军根本没法前进。曹操正发愁，就问田畴该怎么办。田畴说：“这条路每到夏秋季节就积水，浅的地方车马走不了，深的地方船也过不去，一直是个大难题。以前北平郡的治所在平冈，有条路经过卢龙，可以直通柳城。不过从东汉光武帝建武年间到现在，这条路已经荒废快两百年了，但还能找到小路。现在乌桓人肯定以为咱们会从无终走，看咱们前进不了只能退兵，就会放松警惕。咱们要是悄悄撤军，从卢龙口翻越白檀的险要地段，走那条荒废的路，不但路近，还能打他们个措手不及，蹋顿不用打就能抓住。”曹操一听，觉得这办法好，马上带兵后撤，还在路边立了块大木牌，上面写着：“现在天气太热，道路不通，等秋冬季节再来进军。”乌桓的侦察兵看到后，真以为曹军撤了。
曹操让田畴当向导，率军翻山越岭，走了五百多里，经过白檀、平冈，穿过鲜卑人的地盘，直奔柳城。离柳城还有二百里的时候，乌桓人才发现曹军来了。袁尚、袁熙兄弟，还有蹋顿，带着辽西单于楼班、右北平单于能臣抵之等几万人马前来迎战。八月，曹操登上白狼山，突然和乌桓大军遭遇。乌桓人多势众，曹操的粮草辎重还在后面，披甲的士兵也不多，身边的人都很害怕。曹操登高一看，发现乌桓军阵脚混乱，立刻下令出击，让张辽当先锋。这一仗，曹军把乌桓打得大败，蹋顿和不少乌桓首领被杀，投降的胡人和汉人加起来有二十多万。辽东单于速仆丸跟着袁尚、袁熙逃到辽东太守公孙康那里，手下还有几千骑兵。有人劝曹操乘胜追击，曹操却说：“我不用出兵，公孙康就会把袁尚、袁熙的脑袋送来。”九月，曹操带兵从柳城撤军。公孙康正想拿袁尚、袁熙的人头向曹操表功，提前在马厩里埋伏了精兵，然后请袁尚、袁熙来做客。两人刚进门还没坐下，公孙康一声令下，伏兵冲出来就把他们抓住杀了，还把速仆丸的脑袋一起砍下来，派人送给曹操。将领们都不明白，问曹操：“主公您刚撤兵，公孙康就杀了袁尚、袁熙，这是为什么？”曹操说：“公孙康一直害怕袁尚、袁熙，我要是逼得太紧，他们就会联合起来抵抗；我一放松，他们就会自相残杀，这是必然的结果。”曹操把袁尚的首级挂起来示众，还下令：“谁敢哭就杀了谁！”只有牵招一个人不怕死，公开设祭坛哭祭袁尚，曹操觉得他是个重情义的人，不但没杀他，还举荐他为茂才。
这次出征，路上又冷又旱，连续二百里找不到水，军队粮食也不够，只好杀了几千匹马当口粮，挖地三十多丈才找到水。回到邺城后，曹操把之前劝他不要出征的人都找来，大家都不知道怎么回事，心里害怕极了。结果曹操不但没怪罪，还重重地赏赐了他们，说：“我这次出征，是冒险碰运气，能取胜全靠老天爷帮忙，不能当作常态。你们的建议，才是稳妥的办法，所以要奖赏你们，以后有话尽管说，别再犹豫。”
建安十二年（公元207年）秋冬
这年十月辛卯日，天空中出现彗星，划过鹑尾星宿区域，这在古代被视为不祥之兆。同月乙巳日，黄巾军杀死了济南王刘赶。
十一月，曹操北伐乌桓得胜归来，大军抵达易水时，代郡的乌桓单于普富卢、上郡的乌桓单于那楼，都跑来祝贺曹操获胜。回到邺城后，曹操论功行赏，打算封田畴为亭侯，赐给他五百户食邑。但田畴推辞说：“我当初是为了给刘虞报仇，才带着大家躲进山里。现在大事没成，反而接受赏赐，这不是我的本意。”田畴坚决不肯接受，曹操看出他态度诚恳，便不再勉强。
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