Bạch Mã không phòng bị, bị quân Tào Tháo đánh đại bại. Nhan Lương bị
giết, Bạch Mã được giải vây. Viên Thiệu nghe tin Tào Tháo đến cứu Bạch
Mã, giết mất đại tướng của mình thì nổi giận đùng đùng. Giám quan Thư
Thụ khuyên Thiện lưu đại quân ở Diên Tân, chỉ đưa một bộ phận xuất kích.
Nhưng Thiệu nóng báo thù, không nghe theo lời khuyên đó, cứ hạ lệnh cho
toàn quân vượt sông đánh đuổi quân Tào, và phái đại tướng Văn Sú mang
năm sáu nghìn kỵ binh đi tiên phong. Lúc đó, Tào Tháo đang rút từ Bạch
Mã về Quan Độ, nghe nói quân Viên Thiệu đuổi theo, liền cử 600 kỵ binh
mai phục ở phía dốc Diên Tân, cho binh sĩ cởi bỏ yên cương, thả ngựa đi
tản mát trên sườn núi, quăng vũ khí, khôi giáp vứt đầy đường.
Kỵ binh của Văn Sú tới dốc phía nam, thấy vậy cho rằng quân Tào đã
chạy xa nên cho binh sĩ đi thu nhặt vũ khí, khôi giáp trên đường. Bất ngờ,
theo lệnh Tào Tháo, 600 phục binh bất ngờ xông ra chém giết, quân Thiệu
không kịp chống trả, bị đánh tơi tả, Văn Sú cũng bị giết chết trong đám
loạn quân. Mới đánh 2 trận, Viên Thiệu đã mất luôn 2 viên đại tướng, tinh
thần tướng sĩ hoang mang. Nhưng Viên Thiệu vẫn cay cú, nhất định truy
kích Tào Tháo, giám quân Thư Thụ bàn: "Quân ta tuy đông, nhưng không
dũng mãnh bằng quân Tào; quân Tào tuy dũng mãnh nhưng không nhiều
lương thực như quân ta. Vì vậy, ta nên giữ vững ở đây đợi khi quân Tào hết
lương, chúng sẽ phải tự động lui quân".
Viên Thiệu vẫn không nghe lời khuyên của Thư Thụ, cứ ra lệnh cho
tướng sĩ tiếp tục tiến quân, đuổi tới tận Quan Độ, mới dừng lại hạ trại. Binh
mã của Tào Tháo đã về tới Quan Độ từ lâu, bố trí xong thế trận, giữ vững
thành lũy. Viên Thiệu thấy quân Tào dựa vào thành lũy cố thủ, liền sai quân
đắp núi đất dựng đài cao ở ngoài thành, để binh sĩ leo lên bắn tên vào
thành. Quân Tào phải dùng khiên mộc để chống lại mỗi khi di động trong
thành. Tào Tháo bàn với các mưu sĩ, thiết kế ra một máy bắn đá, gọi là "xe
sấm sét". Xe gồm một cần bẩy lớn, có thể phóng những tảng đá nặng mấy
chục cân, phá nát các đài cao của Viên Thiệu, khiến nhiều quân Viên Thiệu
bị toạc đầu vỡ trán.
