曹操绕路，直到距离柳城200里的地方，乌桓才发现曹操的大军。袁熙、袁尚、蹋顿、还有辽西、右北平的乌桓单于率兵迎战。建安十二年八月，曹操在白狼山遭遇乌桓大军，曹军让张辽为先锋出兵迎击。在张辽的冲击下，乌桓大败，蹋顿当场被斩，袁尚、袁熙则逃往了辽东太守公孙康那里，曹军趁势攻破柳城。
战后，有人劝说曹操一鼓作气进攻公孙康，抓住袁尚兄弟，清除袁氏势力。曹操却说公孙康到时候会把袁氏兄弟的脑袋送过来，不用出动军队了。之后，曹操把乌桓所属万余落全部迁入内地，率领乌桓众族到处征战，由此三郡乌桓成为天下名骑！
在曹操从柳城退兵的途中，公孙康就派人把袁尚、袁熙等人的首级送了过来。曹操解释道，公孙康一直都怕袁尚等人，如果我逼得急了他们会合力反抗，如果我不逼，他们就会自相残杀。等曹操回军到达易水的时候，代郡、上郡的乌桓代理单于都纷纷前来朝贺，到了建安十三年的正月，曹操回到邺城，结束了这次北征。
