建安四年，赵小涛得到消息，曹操派史涣、曹仁击破张杨旧部眭固，取得河内郡，把势力范围扩张到黄河以北。他知道，他等待的官渡之战就要爆发了。于是，他下令手下加紧训练，筹集粮草，为接下来的这场大战做准备。不久，果然传来了袁绍虽然向幽翼边界的常山郡、中山国、河间国、渤海郡大规模增兵却又保持守势的消息。赵小涛赶紧给李二宝传了死守涿郡，敌不动，我不动的命令；吩咐李二牛带三千屯田兵守代郡郡城；自己带着赵毛蛋和刘大状俩校尉及手下的四千兵去了与代郡与翼州接壤的地方。公孙瓒也派了手下的大将田豫、田楷分别去守广阳郡和渔阳郡。
赵小涛一面加紧训练士兵，一面积极打听曹袁双方的消息。
六月，袁绍又挑选精兵十万，战马万匹，企图南下进攻许都。
十二月，曹操自率军屯于官渡，准备迎击袁绍。
建安五年正月，车骑将军董承、偏将军王服、越骑校尉种辑接受了汉献帝的衣带诏，欲诛杀曹操，但事泄，被曹操夷灭三族。刘备得到消息后担心被曹操杀害，于是袭杀徐州刺史车胄，占据徐州。曹操突袭徐州以迅雷不及掩耳之势击破刘备。刘备仓皇间投奔袁绍，袁绍听刘备讲了前因后果后，心中十分高兴。他终于有了名正言顺的开战理由，于是，袁绍奉衣带诏 讨伐曹操，派陈琳书写檄文并公开发布，檄文中把曹操骂得无法忍受。袁、曹两家公开宣战。
二月，袁绍命大将颜良等人进兵白马，自己率大军抵黎阳，向曹操发动进攻。袁绍大军来攻，许都震动。曹操安慰众将说：“我知道袁本初的为人，他这个人志大而智小，色历而胆薄，忌克而少威，兵多而分画不明，将骄而众令不一，土地虽大，粮食虽多，但是恰好是我可以应付的。”
于是，曹操决定以所能集中的数万兵力抗击袁绍的进攻。为争取战略上的主动，他作出如下部署:一、派臧霸率精兵自琅玡入青州，占领齐、北海、东安等地，牵制袁绍，巩固右翼，防止袁军从东面袭击许都;二、曹操率兵进据冀州黎阳，令于禁率步骑二千屯守黄河南岸的重要渡口延津，协助扼守白马的东郡太守刘延，阻滞袁军渡河和长驱南下，同时以主力在官渡带筑垒固守，以阻挡袁绍从正面进攻;三、派人说动赵小涛和公孙瓒出兵，攻击袁绍的翼州后侧；四、派人镇抚关中，拉拢凉州，以稳定翼侧。
三月，赵小涛和公孙瓒依约对幽翼边界的士兵进行骚扰，双方互有胜负。
四月，曹操亲自率兵北上解白马之围，他采纳谋士荀攸之计，做出要渡河袭击袁军的态势，吸引袁军分兵西向，然后突然转向迅速赶往白马。曹操军突然杀到，袁军措手不及，颜良被关羽斩首，袁军大败，白马之围遂解。曹操救出白马军民，沿黄河西撤。袁绍闻知，立即命文丑、刘备渡河追赶曹操。曹操见追兵渐近，命军士解鞍放马，并置辎重于道。袁军追兵大至，争抢辎重，阵形混乱。曹操率领仅有的骑兵突然杀出，大破追兵，阵斩文丑。曹操初战得胜，主动撤军，继续扼守官渡。
八月，袁绍大军连营而进，东西数十里，依沙堆为屯，进逼官渡。曹操分兵坚守营垒，伺机而动。袁军向曹营发动猛攻，先是作高橹、起土山，由上向曹营中射箭，接着又挖地道，欲从地下袭击曹营，皆被曹操以设投石机、挖掘沟壑之法破解。两军一攻一守，相持近二个月。久战之下，曹操处境极为困难。
十月，袁绍从河北运来粮草万余车，派大将淳于琼等带万余人沿途护送，夜宿于离袁绍大营四十里的乌巢。这时袁绍谋士许攸因向袁绍献偷袭许都之计不成，且在河北的家眷犯法被抓，心生悔恨，而来投曹操，献计让曹操偷袭乌巢。曹操大喜，跣足出迎，之后亲率精锐步骑五千人，军队人衔枚，马勒口，换袁军军装乘夜从小路偷袭乌巢。曹操军至乌巢，命四面放火，袁军大乱，淳于琼拒营死守。袁绍闻知，急忙派兵救援，曹操左右见状说“贼人骑兵近了，请主公分出士兵抵挡。”曹操大怒说：“贼人到了我身后再说！”士卒都拼死力战，因此大破袁军，斩淳于琼等，尽燔其粮草。而当袁绍听说曹操袭击乌巢时，因此少量援兵救援乌巢，而以重兵围攻曹军营地。由于曹军营地营垒坚固，乌巢先被攻破，袁军张郃、高览等人率部投曹，袁军溃散。袁绍弃军逃回黄河以北。曹军大获全胜，斩首七万余级，尽获袁军辎重图书珍宝。曹操清点袁绍书信，得到自己部下勾结袁绍的信，尽烧之，说：“当时袁绍势大，我都不能自保，何况是你们呢！”
十月中旬，赵小涛秘密调李二牛带两千屯田兵到了他那儿，下旬袁绍兵败的消息传来，他和公孙瓒都向袁兵发起猛攻，因为前线兵败袁兵无心作战，在赵小涛集中兵力猛攻的情况下终于打下了中山国一郡，而公孙瓒就此打下河间、渤海两郡。
此时，袁绍也带着败军回到了翼州。赵小涛和公孙瓒得到消息，在各自打下的地盘屯下重兵就此退去，从此曹操、公孙瓒和赵小涛都与袁绍陷入对峙状态。
赵小涛回到代郡，对自己麾下的军队进行梳理，发现这一战打下来士兵少了两千，心中对打下一郡的喜悦少了一半。他当即召来郡丞和郡长吏吩咐士兵的抚恤工作一定要做好。然后，又让人叫来李二牛，让他在四郡募兵，他手下的兵都补给了李二宝、赵毛蛋和刘大壮他们，所以李二牛的手里就只剩下一千兵了。赵小涛打算让他再募兵七千，因为他把李二宝、赵毛蛋和刘大壮以及手下的九千人都留在了中山国与袁兵对峙。
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