Tào Tháo đã mắc bệnh đau đầu trong nhiều năm.[72] Ông đã sai người triệu danh y Hoa Đà - là người đồng hương ở huyện Tiêu, nước Bái thuộc Dự châu - đến chữa trị. Do thuốc của Hoa Đà hiệu nghiệm, ông đã giữ Hoa Đà lại bên mình một thời gian. Những lúc bị đau, ông nhờ Hoa Đà châm cứu cho một vài mũi kim thì bệnh tình đỡ đi nhiều.

Sau này Tào Tháo có người nhà mắc bệnh, lại gọi Hoa Đà tới chữa. Được một thời gian chưa xong, Hoa Đà xin về nhà thăm vợ có bệnh, lại xin nghỉ thêm ít lâu nữa. Tào Tháo nghi ngờ, sai người đến dò xét thì thấy vợ Hoa Đà không có bệnh gì, bèn hạ lệnh bắt Hoa Đà vào ngục hỏi tội. Bị cai ngục tra tấn, Hoa Đà chết trong ngục.

Năm 219, Tào Tháo lại tái phát bệnh đau đầu. Ông giao lại bản doanh Nghiệp Thành của nước Ngụy cho thế tử Tào Phi quản lý, còn mình về Lạc Dương dưỡng bệnh. Hứa Xương lúc đó chỉ còn vua hư danh Hán Hiến Đế.

Bị bệnh đau đầu hành hạ không có ai chữa được, Tào Tháo rất ân hận vì đã giết Hoa Đà.[72] Tháng giêng năm 220, Tào Tháo qua đời, thọ 66 tuổi. Ông ở ngôi Ngụy vương được 5 năm.

Tam Quốc Diễn Nghĩa kể rằng: Tào Tháo mở hộp đựng đầu Quan Vũ ra nhìn, thấy râu tóc dựng đứng lên, trừng mắt ra nhìn; vì vậy Tào Tháo hoảng sợ tới mức tái phát bệnh đau đầu. Hoa Đà được triệu đến chữa bệnh, đề nghị bổ đầu ông ra để phẫu thuật; ông nghi ngờ Hoa Đà muốn giết mình nên bắt giam Hoa Đà vào ngục. Hoa Đà chết trong ngục không lâu sau thì Tào Tháo cũng chết.

Thế tử Tào Phi lên nối ngôi Ngụy vương. Vài tháng sau, Tào Phi ép vua Hán Hiến Đế nhường ngôi, lập ra nhà Ngụy, đóng đô ở Lạc Dương. Tào Tháo được truy tôn là Thái Tổ Vũ Hoàng Đế, thường gọi là Ngụy Vũ Đế.