十一月，凉州贼十万入三辅，直逼长安。进以贼悍，非名将不成胜，乃雪夜过河往请太祖。感其诚，许之。遂拜太祖为将，诏发三河五校，整军两万余西讨。闻太尉府兵曹掾贾诩良策画，征为军司马，掌军律。五校阉宦后辈大半，闻太祖为将，咸恐。至函谷关，有赵忠族弟赵延聚将不至，太祖持节立斩之。军中震惊，遂使如臂指。至雍县，合皇甫嵩、董卓军，立营汧水。坚壁高垒，恪守不出，唯多发标兵日探贼意向。
蒲月，太祖以徐晃、张颌为前锋，渡河拔白马。操亦遣夏侯渊领五千骑进至延津。太祖察之，亲率雄师围猎，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，遂以娄圭统步兵守营，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，而操已构筑堡垒，恪守以待。太祖叹之，察其兵少，令众将速攻，战未毕，操已率雄师倍道来救。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，太祖亦出兵，于其北隔河筑垒。操度量兵力，乃尽弃汴水以北，恪守官渡。太祖亦移营至官渡，对峙仍旧。太祖自统御海内，芟夷髃丑，其行军用师，大较依孙、吴之法，而因事设奇，谲敌制胜，窜改如神。临事又手为节度，从令者克捷，违教者负败。与虏对陈，意义安适，如不欲战，然及至决机乘胜，气势盈溢，故每战必克，军无幸胜。平生用武，殊无敌手，唯曹操稍可相对也。
五年七月，汉帝束发，太祖自邺城往贺，既至长安，群丑慑伏，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，不该。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。摆布复请杀王氏二子，并入宫措置董、伏二朱紫。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，焉能为戋戋意不平复违臣节？”摆布虽应之，多不值也。太祖赦王允，留公孙瓒守长安，自将军征蜀。至陈仓，以益州牧刘焉宗子范为使，劝降其父；以成都赵谦为司徒，招安益州各郡长吏；以骑都尉赵云为前锋，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淯至，俱言西域之狼藉，西部鲜卑之骚扰，四郡士民之悲苦，彼言辞诚心，椎心泣血，席中多有落泪者。太祖感其忠，叹其诚，遂斫案发誓，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，遂无法东向请降。太祖拜其为平西将军，领西域都护，驻它乾城，保护丝路商道。加云冠军将军，赠秩。
八年，三月。太祖至洛阳。廿七，吕范督全军破刘备军，备阵亡，匣首入洛，太祖以庶人礼葬之于北邙。刘表、孙权、士燮俱降，汉帝自江夏回御洛阳，车骑将军京泽自沉于江。
卓既被围，关中民气遂附太祖，旬月之间，竞相来投。诸将亦各破敌来援，成廉魏越等斩卓弟旻，函其首入邬。凉州马腾、韩遂闻旻死，递表请降，出质子为义从，太祖纳之。卓观邬核心愈厚，又闻太祖送霸王断刃入邬，则其往昔并州时所赠也，悟终不得免，而太祖欲全其家，乃使貂蝉刺己。太祖入邬，见而奇之，遂纳之，即任夫人也。又以凉康王平与卓孙女白约为婚姻，而传卓首于三辅。