接著，周瑜讓黃蓋寫信向曹操約定了投降的時間。曹操不知是計，欣然同意。黃蓋率船數十艘，滿載幹草，灌以油脂，並巧加偽裝，插上旌旗，同時預備快船係掛在大船之後，以便放火後換乘，然後揚帆出發。當時，江上天氣反常，正猛刮東南風，戰船航速很快，迅速向曹軍陣地接近。曹軍望見江上船來，都以為是黃蓋如約前來投降，紛紛擠到船頭看熱鬧，絲毫不加戒備。
黃蓋在距曹軍1公裏處，下令各船同時點火。一時間火光衝天，船箭一般地直衝曹軍戰船。而曹軍船隻首尾相連，分散不開，移動不得，頓時便成了一片火海。這時，風還是一個勁地猛刮，熊熊大火很快向岸上蔓延，一直燒到了岸上的曹軍營寨。曹軍將士被這突如其來的大火燒得驚慌失措、鬼哭狼嚎、潰不成軍潰不鹹軍：形容慘敗。，燒死、溺死者不計其數。在長江南岸的孫、劉主力艦隊乘機擂鼓前進，橫渡長江，大敗曹軍。
曹操狼狽不堪，被迫率軍由陸路經華容道向江陵方向倉皇撤退，又遇上大暴雨，道路泥濘不堪，以草墊路，才使得騎兵得以通過。一路上，人馬自相踐踏，死傷累累。孫、劉聯軍乘勝水陸並進，窮追猛打，擴大戰果，一直追擊到南郡（今湖北江陵境內）。曹操留曹仁、徐晃駐守江陵，樂進駐守襄陽，自己率領殘兵敗將逃回到北方。
這場赤壁大戰至此以孫權、劉備方麵大獲全勝而宣告結束。
誘韓遂勝馬超
此時漢中馬超與韓遂、楊秋、李堪、成宜等人反叛。曹操派曹仁去討伐他們。馬超等人駐紮在潼（tónɡ）關，曹操命令各將領：“關西士兵精銳強悍（hàn），要堅守壁壘不要跟他們交戰。”秋季七月，曹操西征，與馬超等人的部隊夾著潼關駐軍。曹操緊緊地牽製敵軍，而暗中派徐晃、朱靈等人乘夜渡過蒲阪津，占據黃河西岸紮營。曹操從潼關北麵渡河，還未渡過去，馬超追趕渡船急忙攻打。校尉丁斐（fěi）因而放出牛馬來引誘敵人，敵人騷亂去搶奪牛馬，曹操才得以渡過河去，沿著黃河修築通道而向南推進。敵人撤退，在渭口進行抵抗，曹操於是在許多地方設置疑兵，暗中用船載著士兵進入渭水，架設浮橋，夜裏，分兵在渭水南岸紮營。敵人乘夜攻打軍營，伏兵打敗了他們。馬超等人駐守在渭水南岸，派遣信使請求割讓黃河以西地區講和，曹操不答應。九月，進軍渡過渭水。馬超等人頻繁挑戰，又不應戰，堅決請求曹操割地，送兒子來做人質。曹操采用賈詡的計策，假意答應他。韓遂請求跟曹操相見，曹操跟韓遂的父親是同年孝廉。又跟韓遂是同輩人，於是兩人馬靠著馬交談了好一陣子，但不涉及軍事，隻談京都老朋友之間的舊事，拍手歡笑。會見完畢，馬超等人詢問韓遂：“曹操說了些什麼？”韓遂說：“沒有說什麼啊。”馬超等人對他起了疑心。另一天，曹操又給韓遂寫信，有多處修改塗抹，好像是韓遂改定的樣子，馬超等人更加懷疑韓遂。曹操就與馬超等人約定日期會戰，先用輕裝的士兵挑戰，交戰了很久，才出動勇猛如虎的騎兵夾攻，大敗敵軍，斬了成宜、李堪等人。韓遂、馬超等人逃跑到涼州，楊秋逃到了安定，關中平定。各將領中有人問曹操道：“當初，敵軍把守潼關，渭水北岸沿途空虛，不從河東攻打馮翊卻駐守潼關。拖延一段日子而後北渡黃河，為什麼呢？”曹操說：“敵軍把守潼關，如果我軍進入河東，敵人必定去防守各個渡口，那麼就無法渡過西河去，我故意把大軍開向潼關；敵軍全部人馬在南麵防守，西河的防備就空虛，所以徐晃、朱靈二位將領能夠專力奪取西河；然後率軍北渡黃河，敵人不能跟我們爭奪西河，是因為有徐晃、朱靈二位將軍的軍隊啊。連接車輛樹立柵（zh）欄，修築通道向南推進，既是作不可戰勝的準備，又把兵力薄弱顯示出來。渡過渭水修建堅固的營壘，敵人前來也不出去應戰，是以此來助長敵人的傲氣啊；所以敵人修築營壘而請求割讓土地。我順從他們的請求答應了他們。順從他們的心意的原因，是使他們安心而不作準備，我們乘機積蓄士兵的力量，一旦攻擊他們，就如同所說的疾雷不及掩耳的了，況且軍事上的變化，本來就不是隻有一種方法啊。”起初，敵人每有一支部隊到達，曹操就露出高興的臉色。敵人被打敗之後，將領們詢問其中的原故。曹操答道：“關中地區遼闊，如果敵人各自據守險要的地方，沒有一、二年是不能平定的。如今敵軍都前來集中，他們人數雖多，卻互不統屬，軍隊裏沒有統一的主帥，一戰便可以消滅掉，取得勝利比較容易，我因此高興。”
公元220年，曹操在洛陽逝世，享年66歲。遺令道：“天下尚未安定，葬禮不得遵循古代的禮製。安葬完畢，都要脫掉喪服。那些率兵駐守衛戍（shù）的將領，都不得離開駐守部隊。有關的官員各盡職責。入斂時用平時的服裝，不要埋藏金玉珍寶。”曹操逝世後，諡號為武王。二月丁卯日：安葬在高陵。