周瑜登山岗观看曹军阵式，见曹操阵势布置严整，感叹道：“人皆说曹操善于用兵，果然如此，我们用兵一定要慎之又慎”。他看了很久，苦苦思索，见曹军“重兵集结在前，但是后队的疏漏很大”，便想出了破敌之法，对诸将说：“曹操兵阵‘有前权而无后守’，可以破之。”他根据曹军首尾不相顾的弱点，定下掘壕围困断敌粮道之法，壕深八尺，上广一丈二尺，下极狭窄，仅可容趾，马不能渡，人不能登，有掉落的，没有容纳脚的地方，不能再次出来。在三月一日、二日这两天里，袁军拼命连掘三道大壕，将曹军包围起来，切断了其与陈留的一切联系和粮饷供应。三日，曹操统兵进攻，双方激战，曹军未能闯壕。

曹操与袁军决战于东武山等陈留外围地区，周瑜料曹军缺粮，夜里一定会逃跑，分遣将领进入汛地，阻截曹兵。

三月十六日，曹军无粮自溃。益寿亭侯于禁一回营便率本部人马首先乘夜突围逃跑，结果各处兵马在混乱中逃跑，骑兵和步兵相互践踏，黑夜中，曹兵大乱，死伤无数，不能分辨是哪路兵马。徐晃张郃等奔虎牢关而走，徐晃、高览等奔入三刀岭。曹操等人突围未成，困守大营，几次组织突围，皆告失利。

因粮饷断绝，陈留城中粮食短缺。陈留曹军副将夏侯尚遣人密约降袁，以为内应。建安五年（200年）三月十八日陈留城陷，曹彰、李典被杀，曹操、李通兵败被俘至汝南，袁军攻克陈留。

陈留之战以袁军的全胜而告终，曹军经此一役，元气大伤，于禁与李通相继降袁。据《东汉实录》记载：“是役也，计斩杀敌众十万三千七百八十三，获马七千四百四十匹，甲胄一万九千三百四十六件。曹军死者甚众，所弃马匹、甲胄以数万计。河中浮尸漂荡，多如雁鹜。”陈留之战标志着曹操军事防御体系的完全崩溃，面对袁军，曹操的最后防线仅剩下驻守谯郡的曹休部和驻守樊城的曹仁所部。

昔日，袁术克许昌，俘获曹操全家，仅操次子曹丕随军讨伐袁尚，曹休领军驻谯郡，得以幸免。曹操陈留兵败后，袁术将曹操、曹丕父子列为“国贼”，遣操子曹植前往谯郡、樊城劝降，言明不降，则诛灭曹氏满门。旬月之间，谯郡、樊城皆降。谯郡、樊城降后，袁术以帝下诏，仅赐死曹操、曹丕父子，“只诛首恶，胁从不问”。曹氏一族得以不受株连，此后亦不得领兵。

建安五年（200年）五月，袁术上表，设立“元老院”（类似清朝“军机处”），自领首席元老，袁耀、周瑜、鲁肃等俱为元老，“虚君其位”，国家大事由“元老院”的“元老”裁决，史称“袁术共和”。至建安五年（200年）八月，征召益州刘璋、凉州马腾、辽东公孙康、交州士燮至许昌，位列元老，军权俱归朝廷。至此，天下大定。

得知诸人成功征召，跟随袁术身侧的袁尚，多有逢迎称颂之语。术不屑一顾道：“孤以众御寡。似此等竖子，他想体面，孤让他体面；他不想体面，自有孤的百万雄兵帮他体面。”