曹操明白荀彧心中所急。自己如今处境艰难，如果袁绍的援军赶到，击败了黄巾军，自己这个兖州牧也就做到头了。
现在袁绍对自己非常不满，甚至可能心怀怨恨之意，起因就是因为自己失信于袁绍，没有实现自己的诺言，杀了张邈。
当初曹操听从了荀彧的建议，要南下兖州图谋王霸之业，力图重振社稷。但当时他已经答应了袁绍，要和袁绍一起杀进洛阳，如果突然反悔，必定会引起袁绍的误会。所以曹操就说了一个让袁绍非常高兴的理由，那就是帮助袁绍杀了张邈。张邈如果在兖州各郡大吏的支持下，趁机自领兖州牧，占据兖州，势力必定会迅速膨胀，这对袁绍的威胁非常大。
袁绍信以为真，果然一口答应了。他和曹操相约，杀了张邈后，立即以“承制”之命，让自己的堂兄袁微代领兖州牧。
曹操回到兖州东郡的濮阳后，正准备赶到陈留和张邈相见，兖州府的治中毛玠和功曹陈宫到了。两人本来要到河内请曹操回援兖州的，看到曹操回来了，非常高兴。毛玠和陈宫都是曹操的好友，这次联袂北上，真正的目的是想请曹操趁着这个难得的机会占据兖州，图谋霸业。
但曹操此时又犹豫了。因为当前的形势对曹操来说，恶劣之极。河北之地迟早要给李弘占据，关东和荆、豫之地马上就是袁绍的天下，兖州处在中原中心。黄巾之祸一年比一年厉害，想通过占据兖州来图谋霸业，成功的可能小之又小。另外，自己一旦占据了兖州，就要和李弘、袁绍翻脸，在这两股强大势力的夹击之下，自己要想生存发展，似乎有点痴人说梦。曹操认为，自己的目的是要尽早平息战火，稳定社稷，中兴大汉，而不是让大汉走向覆灭。所以从当前的形势来看，和袁绍紧紧地站在一起最为可靠，最能节省中兴社稷的时间。
毛玠和陈宫不同意曹操的看法。袁绍拒不承认当今天子，和我们拯救社稷之策有天壤之别。将来无论是让李弘控制了天子，还是让袁绍重建了皇统，大汉都要倾覆。毛玠随即就当前的天下形势和各地州郡大吏做了一番深刻的分析。最后他告诉曹操，拯救社稷首先要强大自己的实力，但强大自己必须要师出有名，要在尊奉当今天子这个“大义”的情况下尽可能寻求各方的支持和帮助。“宜奉天子以令不臣，修耕植，畜军资，如此则霸王之业可成也。”
曹操其实和他们在如何拯救社稷的观点上是一致的。早在年初的时候，他就和张邈有频繁的书信往来。曹操肯定所谓的“中间道路”，在尊奉当今天子的前提下，图谋王霸之业，然后杀进关中，勤王兴汉。但面对满目疮痍的兖州，面对经历了四年战祸已经残破不堪的兖州，曹操实在没有半点信心。
荀彧说话了，“如果兖州现在是完整的，大人能否得到兖州？”
曹操苦笑。如果兖州现在还是完整的，哪里轮得到他？早被袁绍顺势而下，自领兖州牧了。
荀彧笑道：“那大人还犹豫什么？等到袁绍占据了洛阳，击败了袁术后，兖州就是袁绍的囊中之物了。”
毛玠也劝道，“如果李弘稳定了冀州，袁绍稳定了关东，大人就没有选择余地了，只能眼睁睁地看着大汉轰然倒塌。”
曹操别无选择。
毛阶、陈宫随即急赴昌邑，劝说兖州府的其它从事掾属拥戴曹操为兖州牧。
同时曹操也派荀彧、任峻等人急赴济阴、任城等地，为其游说济北相鲍信、济阴太守吴资、任城相郑遂等州郡大吏和各地的门阀世族。没有这些郡县大吏和门阀的支持，他即使做了兖州牧也没人睬他。
曹操自己亲率大军急赴陈留。
张邈也想利用这个难得的机会自领兖州牧，但兖州的现状让他非常犹豫。黄巾军势力太大，依靠兖州各郡的力量，短时间很难平定。袁绍最近被李弘赶出了冀州自身难保，袁术、袁谭叔侄又打得不亦乐乎，朱俊、徐荣在关西战场上，没人可以帮自己，兖州看样子保不住了。想来想去，他还是把主要精力放到了扬州。如果自己能占据扬州，不但可以避免中原各势力之间的大战，保存实力，还可以利用扬州充足的粮食来有效牵制和打击中原各方势力。
这时曹操到了，曹操说自己来借点粮食，然后率大军赶赴前线攻击黄巾军。接着他把王匡死了的消息告诉了张邈，说你和王匡要合谋对付袁绍的事，已经被袁绍知道了，这次袁绍让自己南下，一是为了平叛，二是要趁着平叛的机会把张邈杀了。
张邈大怒，痛骂袁绍，对曹操非常感激。曹操说，袁绍想霸占兖州，有意让袁微出任兖州牧，这对我们非常不利。我看，干脆你出任兖州牧算了，我坚决拥戴你。
张邈拒绝了，说这个兖州牧还是你来干吧。他也不隐瞒曹操，说自己打算到扬州去。如果自己占据了扬州，曹操在兖州，再加上徐州的陶谦，三州结盟，互为犄角，这样就能牵制袁绍，抗衡李弘了。
目前我们还不能肯定董卓被杀的消息是真的，但假如这个消息是真的，我们可以率先响应天子和朝廷，给天子和朝廷以强有力的支持。如果此时袁绍还执迷不悟，坚决要重建皇统，拒不尊奉天子，那么我们就联合李弘先打袁绍，把天子和朝廷迎回洛阳。
至于李弘，如果他愿意放弃兵权去戍守边疆，那是本朝的幸事，天下可以自此安定下来。但假如他不愿意，那这仗还有的打。不过他只有北疆和冀州两地，叛乱得越快，死得就越早。
曹操吃惊地说：“孟卓兄，如果你要入主扬州，赶快南下，因为袁绍已经急书九江太守陈温，让他代领扬州刺史了。”
张邈胸有成竹，一点也不着急。“我早已派人南下，我弟弟广陵太守张超也亲自赶到了九江郡，只待扬州那边诸事办妥，我就南下。”
在陈留太守张邈和济北相鲍信的鼎力支持下，再加上兖州府从事刘翊、毛玠、陈宫、戏志才、王必等人的大力帮助，曹操非常顺利地暂时代领了兖州牧。
任城相郑遂、济阴太守吴资、山阳郡太守袁遗虽然心不甘情不愿，但在袁绍没有音讯，黄巾军步步紧逼的情况下，也勉为其难地答应了。
曹操心里有数，自己出身于显赫的宦官世家，又没有什么出众的功绩，没多少人正眼看自己。在袁阀势力遍布兖州的今天，要想完全占据兖州，只有一个办法，那就是尽快击败黄巾军，保住兖州，以此来换取兖州门阀世族的好感和支持。如果自己一个败仗就着一个败仗，那事情就麻烦了。袁绍只要在关东站住脚，立即就会腾出手来把自己赶出兖州。自己兵微将寡，哪里是袁绍的对手。
不幸的是，曹操刚刚继任兖州牧，从关东就传来了消息。袁绍不但兵不血刃，占据了洛阳，还逼着袁术和自己讲和了，兄弟联手了。
曹操十分担心，急忙去信向袁绍解释。兖州形势紧张，黄巾军铺天盖地，兖州军一败再败，大军粮饷全靠陈留郡提供，所以此时张邈万万不能杀。如果我把张邈杀了，我在兖州也就待不下去了。我们和张邈都是几十年的朋友，在今日社稷危难之际，我们应该齐心协力，怎能兄弟相残？本初兄，还是算了吧，毕竟张邈和你只是政见不同，并无深仇大恨。至于自己继任兖州牧一事，曹操也有自己的说辞。现在兖州这个样子，谁愿意干谁来，我还不愿意干呢？要不是张邈、刘翊这些人硬拉着我不放，我才不干这个找死的州牧？嫌自己命不够长啊？
袁绍和曹操自小相识，对他的脾气一清二楚，知道他在说谎，但袁绍也没有点破。兖州战局不利是个事实，既然你曹操和张邈都要在背后阴我，那你们就自己对付黄巾军去吧。等到你们的军队打完了，求我了，我才和你们算算这笔账。
恰好这时扬州来信，九江太守陈温在历阳发动兵变，把张邈、袁术的人都关起来了，把广陵太守张超也赶出了九江郡，顺利代领了扬州刺史。
袁绍大喜，于是回书曹操，那就麻烦孟德老弟先干着。什么时候你不愿意干了，说一声，我派人把你接到洛阳来。
曹操这个时候去向袁绍求援，等于是向袁绍拱手称臣，几个月的努力白费了。
荀彧、任峻、刘翊、毛玠、陈宫、戏志才等人围在一起商议，众人认为袁绍派军支援的可能不大。袁绍刚刚占据洛阳，和袁术虽然讲和了，但那也就是停战，他的主要目还是为了迅速稳定关东。袁氏兄弟至今还没有手握手，距离真正意义上的和解差远了，两人迟早还要反目。另外，兖州的仗再这样打下去，曹操和张邈的实力肯定要折损一尽，等到兖州军差不多打完了，袁绍再抽调兵力支援，可以不费吹灰之力把兖州拿到手。
说来说去，还是要靠自己击败黄巾军。就在众人无计可施的时候，东平国的寿张县令程昱到了。
程昱四十多岁，身材高大，长脸美髯，相貌堂堂。他是兖州东郡东阿人，兖州名士。过去刘岱屡次征辟，甚至以骑都尉一职授之，但程昱不为所动，坚不从辟。曹操继任兖州牧后，征辟他为东平国的寿张县令，程昱欣然而往。他和曹操早年就相识。当年曹操任济南国相时，曾在济南国大力整肃吏治，程昱甚为敬佩，暗中帮了不少忙，曹操一直感激在心。
程昱急告曹操，黄巾军在任城大捷之后，一部留守任城国牵制兖州军，一部在徐和的带领下，调头攻打东平国。程昱认为，这是个偷袭黄巾军的好机会。黄巾军认为兖州军的兵力都被自己的主力大军压制在济阴、山阳郡一带，所以派回去攻打东平国的军队人数不多。如果兖州军能够奔袭东平国，重创徐和的黄巾军，然后再从黄巾军主力大军的背后展开攻击，黄巾军必将惊惶不安，匆忙撤往泰山。这样一来，兖州的危局就可以得到缓解。
曹操当即予以采纳。他和济北相鲍信、任城相郑遂带着一千铁骑，五千步卒，连夜离开昌邑，昼伏夜行，急速向东平国而去。
七月下，徐和率三万黄巾军，二十多万流民开始攻打东平国的寿张城。
当曹操率军潜伏到寿张附近时，被流民发现。徐和一边向司马俱、孙观求援，一边率领黄巾军突然向曹操发起了攻击。
双方血战。黄巾军来得非常突然，兖州军虽然有准备，但还是被打了个措手不及，双方将士立即陷入混战，以命搏命，战斗非常惨烈。
济北相鲍信于乱军之中被砍死，尸骨无存。任城相郑遂遭受重创，在回撤途中，被一群疯狂的流民撕成了碎块。
青州黄巾军首领徐和在激战过程中，被曹操手下大将李乾、李整、李典叔侄三人指挥精锐围住，双方数百人纠缠在一起猛砍。徐和身负重伤，血尽而死。李乾连中数刀，大腿被长矛洞穿，李典拼死护着他撤出了战场。李整被舍生忘死的黄巾军团团围住，危在旦夕。幸好这时史涣、许褚带着铁骑杀到，把伤痕累累的李整救了出来。
黄巾军主帅阵亡，士气锐减，随即溃败。
这一仗，兖州军虽然付出了惨重代价，但杀死了黄巾军首领徐和，几乎全歼了三万黄巾军士卒，算是一场大捷。几万无辜的流民惨死于这场激战当中。
曹操不敢久留寿张，匆忙率军赶到大野泽，和率先赶到这里设伏的张邈、吴资五千人马会合。
司马俱、孙观得到消息，急速回援。当天晚上，十万大军，几十万流民宿营于大野泽。
曹操率军偷袭。黄巾军和流民本来就人心惶惶，这下突遭袭击，顿时大乱，被践踏而死者不计其数。司马俱带着部分残兵仓惶撤往济北国，孙观带着部分残兵逃往泰山。
寿张大战的胜利，彻底扭转了兖州形势。