劉備再次因呂布的翻臉而走投無路，在迫不得已的情況下決定投靠曹操，這是曹、劉兩個宿世之敵的第一次合作，卻也是唯一一次合作。
「陷陣營」擊敗「盲夏侯」
呂布與劉備正式翻臉，對呂布而言，無疑是自斷一臂。
雖然趕走劉備奪取小沛後，呂布等於取得完整的徐州統治權，但是卻也逼使自己要直接面對曹操的挑戰。此外對袁術而言，失去劉備的呂布更是毫無威脅性，呂布的滅亡似乎已經成為必然的結果。
夏侯惇
曹操對劉備來投大表歡迎，但是旗下謀士卻不這麼認為，曾在呂布奪取兗州時，為曹操保住三縣根據地的功臣程昱便向曹操提出警告，程昱認為：「劉備的志向遠大，如今若不趁他勢孤力窮之際除掉，將來必成大患(觀劉備有雄才而甚得衆心，終不為人下，不如早圖之)。」
不過曹操的另一位謀士郭嘉卻認為：「主公起義兵，為百姓除暴，應當以誠信收攬天下俊傑之士為己所用，現在只怕做的還不夠好。劉備素有英雄之名，若是趁他危難之時去掉他，將使主公背上害賢之名。若是如此，則天下智謀之士將對主公產生不信任感，將來主公將仰仗誰來協助平定天下呢？為了除去一人之患以阻四海的仰望，其中的危機，主公不可不察。」
曹操對於郭嘉的建言十分認同，隨即重新任命劉備為豫州牧，並協助重整小沛敗軍，以及提供軍隊與糧草準備反攻。另一方面，呂布得知劉備獲得曹操的援助後，擔心劉備將回過頭來與自己爭奪徐州，於是命中郎將高順為前鋒，打算趁劉備新敗，陣腳未穩的時候，徹底掃蕩劉備勢力。
高順為人清白，有威嚴，不愛飲酒，又不貪污，對呂布極為忠心，一直跟隨呂布，征戰四處。高順統轄訓練精良的七百敢死隊，號令嚴明，進攻敵營可說是每戰必勝，得到『陷陣營』稱號，為呂布最得力的大將之一。
劉備雖然得到曹操的援助，仍然不敵高順的追擊，只能邊戰邊退，曹操得知消息後，立刻派遣夏侯惇前往援助。
夏侯惇是曹操的同族兄弟，早在爭討黃巾軍時就已經成為曹操的得力助手。當年曹操東征陶謙時，因呂布襲取兗州而撤離徐州，夏侯惇為當時曹操回師主力大將，甚至在反攻呂布時卻被流矢射傷左目，敗北而回，從此被人私下戲稱為『盲夏侯』。不過夏侯惇對於這個稱號卻大為不悅，每次照鏡子的時候，看到左眼的傷口，總是氣的將鏡子扔到地上。
此時盤據在宛城一帶的張繡已經與荊州牧劉表結成軍事同盟，屢屢騷擾大本營許都南方，對曹操形成壓力。
西涼軍團的消亡
張繡是西涼軍團四大軍頭中張濟的侄子，自從李傕誘殺樊稠，吞併樊稠所屬的西涼軍團後，郭汜與張濟兩人便對李傕失去信任。後來又發生了李傕與郭汜分別劫持漢獻帝與公卿事件，張濟與李、郭兩人更是各自為政。
為了穩定西涼軍的局勢，張濟出面調解李、郭兩人的糾紛，勸兩人釋放漢獻帝與公卿，並且派人保護漢獻帝回去洛陽，讓西涼軍可以獲得朝廷的原諒與認可，借以擺脫反賊的身份。
漢獻帝成功離開關中之後，張濟因功被拜為驃騎將軍，楊奉與董承擔心功勞被瓜分，於是聯合起來排擠張濟。受排擠的張濟一氣之下，回頭聯合李傕與郭汜打算再次劫持漢獻帝。楊奉的白波軍只是劫匪出身，完全不是西涼軍的對手，在千鈞一髮之際，漢獻帝被河西太守張楊救走。
失去漢獻帝的西涼軍團缺乏發展目標的弊病再次浮現，李傕與郭汜回到關中，張濟則因為軍隊缺糧而南下宛城，企圖在荊州建立根據地。然後在攻打穰城一役，張濟不幸中箭身亡，所屬的西涼軍則歸侄子張繡統率。
接管軍隊後的張繡隨即與荊州牧劉表和談，劉表同意張繡駐紮在宛城，張繡則是替劉表守住荊州的北方大門－南陽。
成功奉迎天子到許昌的曹操，開始將發展的目標指向中原地區，首個目標便是盤踞在南陽的張繡。
《三國志通俗演義》中的曹操興兵攻打張繡
原本張繡知道曹操將親率大軍征討便已宣布投降，不料卻傳出曹操與張繡叔母(張濟之妻)有染的桃色事件，張繡對此事大為不滿。此時又發生曹操大賞張繡軍中的重要將領胡車兒，張繡懷疑曹操將對己不利，因此張繡決定襲擊曹操大軍。曹操則是認為張繡已經投降，因此疏於防備。襲擊戰中，曹操長子曹昂被張繡所殺，校尉典韋更為了掩護曹操而被亂兵所殺。曹操重整旗鼓後進行反攻，張繡不敵而返回荊州。
曹操為了處理張繡一事而無暇分身，仍然派出陣中的主力戰將協助劉備，可說是已經確定要全力支持劉備。只可惜即便是曹營中的第一戰將，仍舊不敵高順的強攻而敗陣，劉備不但落荒而逃，連妻子也再次遭到俘虜。
東征呂布，水淹下邳城
曹操在解決張繡問題後，隨即又成功消滅李傕，西涼軍的勢力完全撤回關中，消除了許都南面的威脅，這才開始有時間思考整體發展的策略。
曹操以兗州為根據地，奉迎天子到許都後，盪平了西涼軍在中原的勢力，豫州一帶得到初步的底定。這時候曹操所要面臨的幾個較大的威脅中，北面的袁紹在與幽州的公孫瓚對決中，逐漸取得優勢；其次是西方關中地區，在李傕以韓遂、馬超為主的羌族軍團時附時叛，對洛陽造成威脅；南方的劉表、張繡雖然受挫於曹操，但是實力依然不容小覷。在權衡之下，東面的呂布與劉備翻臉後，夾在曹操與袁術的勢力範圍之間，反而是最容易對付的。只是曹操想不到夏侯惇竟然敗的如此迅速，逼的曹操不得不正視呂布的威脅性。在荀彧與郭嘉的規劃與建議下，曹操決定先行對付呂布，親自率領大軍向徐州進發。
曹操在梁國與戰敗撤退的劉備會合之後，隨即率領大軍直指彭城，不到一個月的時間彭城便已失守，同時擒獲彭城相侯諧。曹操對於呂布的勇猛十分忌憚，於是曹操再次採取血腥鎮壓的恐怖手段，對彭城展開屠殺，徹底瓦解反抗勢力，然後再派人到下邳向呂布送去勸降書，希望能在兵不血刃的情況下取得徐州。
呂布對於曹操親率大軍前來頗為擔心，便有意投降曹操。謀士陳宮卻認為過去在兗州時，呂布與曹操已經結下不解之仇，選擇投降無疑是陷自己於毫無反抗的局面。陳宮建議與其投降，不如以逸待勞，等曹操大軍一到再迎頭痛擊。呂布似乎信心不足，反而不贊成主動攻擊，決定藉泗水的地利與曹軍進行持久戰。同時，派出許汜、王楷兩人向袁術告急。
曹操得知呂布不願投降後，擔心呂布為求自保而靠向袁術，便立即對下邳城採取包圍的態勢，封鎖下邳所有對外聯絡的管道。
袁術得知呂布求援後，對許汜、王楷表示：「你家主君違背了與我的婚約，導致今天的局面，居然還有臉派你們兩個來見我？」許汜、王楷則說：「呂、袁兩家是唇齒相依的盟邦，倘若明上不派軍援助我家主君，當我家主君滅亡之後，曹操下一個目標就輪到明上了。」於是袁術親率千名鐵騎前往救援，但是甫一交鋒，袁術便被曹軍擊潰，最後只能退守保城。
呂布見曹操將下邳包圍的水泄不通，袁術的援軍遲遲不到，嘗試突圍又失敗，於是打算由陳宮與高順負責守城，自己則率輕騎出城截斷曹操糧道。不料，呂布的妻子以陳宮、高順素來不合，勢必無法協力守城為理由表示反對。
除了袁術之外，河內太守張楊也曾經試圖出兵援助呂布，結果仍被曹軍擊退，最後只能屯駐東市，與呂布遙相呼應。不過這一支援軍在不久後，也因內鬨而瓦解，張楊遭到部將楊醜謀殺，別將眭固又殺楊醜為張楊報仇後，率領殘餘的部隊往北投靠袁紹，呂布自此已經陷入求救無門的絕境。
白門樓上縛猛虎
曹操大軍圍困下邳城，屢攻不下，形成僵持的局面。曹操見軍士們已疲憊不堪，有意解除包圍撤軍回許昌。然而荀攸、郭嘉力勸曹操：「呂布為人勇而無謀，今屢次突圍都被我軍擊退，銳氣已經呈現衰弱。軍隊的氣勢必須靠主將來維持，主將氣勢衰微則軍士們便沒有奮戰的念頭。陳宮雖然有智謀，但是隨機應變的能力卻不足，如今呂布氣勢尚未恢復，陳宮對於戰略的謀畫尚未定案，我軍只要急攻，不給對方喘息的機會，呂布將成為囊中之物。」於是，荀攸與郭嘉建議曹操掘開沂水與泗水的河道，水淹下邳城。
下邳在曹操引沂水、泗水灌城，又堅持了一個多月。呂布面對這樣的窘境，有意投降曹操，但是陳宮卻仍然力圖阻止呂布，呂布迫不得已只好繼續困守下邳。此時下邳已經接近彈盡糧絕，呂布為了節省糧食，於是下達禁酒令，嚴禁城內飲酒歡宴。
呂布部將侯成的門下食客曾經偷偷地將馬匹運往沛城投靠劉備，結果被侯成所攔截。部分與侯成友好的將領，紛紛前去道賀。侯成為了答謝，準備了酒肉食物作為謝禮，同時也送給了呂布。不料呂布卻大為憤怒，認為侯成明知有禁酒令，居然還公然送酒，有意處分侯成。侯成擔心呂布將對自己不利，聯合宋憲、魏續等將領綁架陳宮、高順，率部向曹操投降，同時打開大門引曹操軍隊進城。
曹操大軍進城後，呂布親率直屬衛隊與曹軍進行巷戰，最後退到白門樓上，曹操大軍白門樓圍成水洩不通。呂布見大勢已去，命親信士卒將其首級獻給曹操，親信士卒們不忍心，建議呂布不如投降，還可能獲得曹操重用，因此呂布決定投降。
白門樓
投降後的呂布先向曹操表示，願意為曹操效力，接著又向劉備哀求，希望能幫他求情，絲毫忘記自己不久前才跟劉備翻臉，逼得人家走投無路，還天真的以為劉備會念在過去的情分上。結果劉備不但沒有幫呂布求情，反而在曹操有意收降呂布時，以一句『明公不見呂布事丁建陽、董太師乎』提醒了曹操，暗指呂布過去曾有多次背叛弒主的紀錄，使呂布最後的希望也因此破滅，氣得呂布大罵劉備不守信用。
雖受生全之恩，不忘朋友之義
呂布麾下諸將，除了謀士陳宮與得力大將高順因為拒降而赴難外，其他如張遼、陳群皆獲得重用，更在日後成為曹魏陣營中的要角。成功收降了呂布的勢力後，曹操算是初步完成了平定東方勢力，不過另外卻在臧霸身上發生了一點小插曲。
臧霸，字宣高，泰山華縣人，其父在擔任縣獄掾期間，因為依法判決而拒絕太守公報私仇的要求，被太守污陷入罪，全家遭到逮捕。當時臧霸年僅十八歲，率領數十名門客於費西山中劫囚，然後在東海一帶聚眾為盜。
陶謙在平定徐州黃巾軍時，臧霸協助陶謙擊敗徐州黃巾軍，並收編其餘部，被陶謙拜為騎都尉，與孫觀、吳敦、尹禮 屯駐於開陽，成為一支獨立的武裝部隊。呂布和曹操作戰時，臧霸率部將孫觀、吳敦、尹禮等人兵助呂布，呂布失敗，臧霸四處躲藏，被曹操尋得，不但不殺他，反而非常喜歡他的勇武，派他招集舊部，並委他為瑯琊相，兼理青、徐二州。
當初曹操在兗州時，以徐翕、毛暉為部將，結果徐翕、毛暉皆在呂布襲取兗州時背叛曹操，使曹操險些失去根據地。後來曹操收復兗州後，徐翕、毛暉兩人便投靠了臧霸，曹操對這兩人的反叛行為耿耿於懷。由於劉備過去擔任徐州刺史期間，與臧霸有過交情，因此委請劉備前去要求臧霸將這兩人交出。不過臧霸面對曹操的壓力，仍舊不卑不亢地向劉備表示，徐翕、毛暉兩人在迫窘的時候前來投靠，雖然自己深受曹操活命之恩，但是不能為了要活命就出賣徐翕、毛暉兩人，希望劉備能代為轉達曹操，同時也請劉備幫忙說情。
曹操在獲知臧霸的意願後，也表示願意盡釋前嫌，不但任命徐翕、毛暉為郡守，還任命臧霸為瑯琊相，兼理青、徐二州，享有部分自治權力。曹操這個舉動讓臧霸從此死心塌地，更在將來的官渡之戰中，獨立負責起曹操青、徐二州的東方戰線，為曹操消除了側翼袁軍的威脅。
至於劉備則以『左將軍，領豫州牧』的身分，隨同曹操回到了許昌，展開了他另一個階段的生涯。
