Trong tiểu thuyết Tam Quốc diễn nghĩa của La Quán Trung, Hoàng Cái là viên tướng xuất hiện từ ngày đầu, theo giúp Tôn Kiên đánh Đổng Trác và Lưu Biểu. Khi Tào Tháo áp sát Giang Đông, Hoàng Cái đứng vào hàng ngũ các võ tướng quyết tâm chống Tào.

Để lừa được Tào Tháo, Hoàng Cái và Chu Du đã phải dụng tâm làm kế khổ nhục. Biết Sái Trung, Sái Hòa (2 nhân vật hư cấu, là em của Sái Mạo) sang Đông Ngô trá hàng, Chu Du và Hoàng Cái cố ý giả vờ cãi nhau, rồi Chu Du đánh đòn Hoàng Cái trước mặt 2 họ Sái, để mượn 2 gián điệp của Tào Tháo đưa tin tức sai về. Hoàng Cái giả cách oán hận Chu Du, cử Hám Trạch sang đưa thư trá hàng. Do tin của Sái Trung, Sái Hòa đưa về, cộng với tài ăn nói của Hám Trạch, Tào Tháo tin việc Hoàng Cái sang hàng là thật.

Đến đêm 20 tháng 11, sau khi Gia Cát Lượng cầu được gió đông, Hoàng Cái làm tiên phong, dẫn đầu đội thuyền chiến tiến sang thủy trại quân Tào, danh nghĩa là hàng Tào, nhưng khi tới nơi liền phi thẳng tới trại Tào nổi lửa tấn công. Tào Tháo đại bại rút chạy, Hoàng Cái bị trúng mũi tên do Trương Liêu bắn, ngã xuống nước, nhưng được Hàn Đương cứu sống.

Công lao trấn trị các quận huyện của Hoàng Cái không được Tam Quốc diễn nghĩa nhắc tới.