在曹操的鼓舞下曹军士兵都拼死作战，于是大破袁军，斩领将督将眭元进、骑督韩莒子、吕威璜、赵叡等的首级，割下大将淳于琼的鼻，杀士卒千余人，将他们所有鼻割下，连同牛、马的舌头一同送往袁军，袁军将士大惊。此战，曹军还烧掉袁军全部存粮。
淳于琼为曹将乐进所虏获，被带到曹操面前。曹操问淳于琼说：“你今天弄成这样，是什么源故？”淳于琼答：“胜负乃天所控制的，问我干什么？”曹操想要留下淳于琼性命，许攸劝谏说：“以后他照镜子（看到自己的鼻子被割了），不会忘记今天的（耻辱和仇恨）。”听完，曹操同意杀淳于琼。
就此曹操在乌巢大获全胜，而这一战的胜利则成为了压死骆驼的最后一根稻草。
张郃归曹
曹操袭击淳于琼攻打乌巢之后，袁绍很快也得知了消息，他对儿子袁谭说：“就算曹操攻破淳于琼，我去攻破他的大营，让他无处可归。”于是袁绍准备派遣大将高览、张郃去攻打曹军大营。张郃劝说道：“曹操亲率精兵前去袭击，必能攻破淳于琼等，他们一败，辎重被毁，则大势已去，请您先去救援淳于琼。”
而袁绍的主要谋士郭图则坚持要先攻曹操营寨。张郃继续劝说：“曹操营寨坚固，一定不能攻克。如果淳于琼等被捉，我们都将成为俘虏。”袁绍于是派出轻兵去援救淳于琼，而派张郃等人率领重兵进攻曹军大营。而后由于援军太少，乌巢最终被曹操攻陷，淳于琼等将领也都被杀死，曹操将一千余名袁军士兵的鼻子全都割下，将所俘获的牛马的嘴唇、舌头也割下，拿给袁绍军队看，导致军中大为惊恐。
郭图知道自己的计策失败后，心中羞愧，为了推卸责任就又去袁绍那里诬告张郃，对袁绍说：“张郃听说我军失利，十分幸灾乐祸。”而这件事情被张郃听说后，他又恨又怕，恐惧自己成为第二个田丰，于是就与高览等将领烧毁了攻营的器械，到曹营去投降。一开始曹洪生怕中计，不敢接受他们投降。荀攸说：“张因为计策不为袁绍采用，一怒之下来投奔，您有什么可怀疑的！”于是选择接受张郃、高览的投降。
曹操也对张郃的投降感到高兴，亲自迎接并称“如微子去殷，韩信归汉也”，此后担任著偏将军、封都亭侯。张郃亦是后来曹操集团中主要大将之一，后世和徐晃、乐进、张辽、于禁并称为曹魏“五子良将”。
历史上乌巢虽然不是《三国演义》中袁绍放置全部粮草的地点，而是淳于琼运输粮草的暂时放置地点，但此前袁绍的粮道已经被曹操截过了，而乌巢的是最新的一批粮草，所以就算当时袁绍军中还有余粮，但也不可能太多了，乌巢中粮草应该占了袁绍军中粮草的绝大多数，在曹操摧毁乌巢的粮草之后，对于袁绍军的打击可以说是致命的。
而且在这一系列的作战中袁绍损失不仅仅是粮草而已，其麾下将领淳于琼、眭元进、韩莒子、吕威璜、赵叡均在这一仗中战死，许攸、张郃、高览等也先后向曹操投降，在乌巢和攻打曹操大营也是损失了大量部队，袁绍在损兵折将的同时，更致命的还有士气上的打击，袁绍军中从上而下都已经失去了再战斗的意志。
袁绍已经走向了穷途末路，官渡之战的结局此时已经很明确了。