Tiểu thuyết Tam quốc diễn nghĩa của La Quán Trung mô tả trận Quan Độ từ hồi thứ 28 và hồi thứ 30. Quá trình diễn biến trận Quan Độ được Tam quốc diễn nghĩa tường thuật hơi khác một số tình tiết trong lịch sử.

Theo đó, sau trận Diên Tân, hai bên lại thu binh về chỗ. Tào Tháo rút về Hứa Xương, Viên Thiệu trở về Ký châu; La Quán Trung tập trung mô tả việc Quan Vũ lén đi khỏi chỗ Tào Tháo, Tào Tháo còn đi ra tiễn Vũ ở Hứa Xương. Viên Thiệu sai Trần Chấn đến Giang Đông lôi kéo Tôn Sách liên minh đánh Tào Tháo nhưng Tôn Sách đột ngột qua đời, Tôn Quyền lên thay theo chính sách của Trương Chiêu, Gia Cát Cẩn, theo Tào mà không theo Viên. Viên Thiệu thấy sứ giả trở về không cầu được họ Tôn bèn tự mình khởi bình lần thứ hai đi đánh. Diễn biến trong tiểu thuyết khá nhiều sự kiện và thư thả nhưng trên thực tế hai bên Viên - Tào đối luỹ từ tháng 5 và cả Viên Thiệu lẫn Tào Tháo đều bám sát không rời chiến trường, tiếp tục điều động binh lực.

Tam Quốc diễn nghĩa mô tả Viên Thiệu có 70 vạn quân, còn Tào Tháo chỉ có 7 vạn quân trong trận này. Thực ra sử sách không nói rõ quân số của hai bên, chỉ đề cập tới quân số của Viên Thiệu đông hơn nhiều so với Tào Tháo.

Những diễn biến chính của trận Quan Độ như dựng chòi, đào địa đạo, cướp lương Ô Sào... được Tam Quốc Diễn Nghĩa mô tả khá sát với sử sách.