Tháng 7 năm 204, Viên Thượng nghe tin Nghiệp Thành bị Tào Tháo vây bức, bèn ngừng tấn công Viên Đàm ở Bình Nguyên, mang quân về cứu Nghiệp Thành. Tào Tháo chia quân đón đường đánh bại Viên Thượng. Quân Viên Thượng tan rã. Viên Thượng sợ hãi, phải bỏ cả áo giáp, ấn thụ và vật nặng mà bỏ chạy sang nước Trung Sơn[4]. Không lâu sau Nghiệp Thành (thủ phủ Ký châu) bị hạ, Thẩm Phối không đầu hàng bị chém.

Thấy Viên Thượng chạy về Trung Sơn, Viên Đàm một mực muốn truy kích, lại từ Thanh châu mang quân tới chiếm mấy huyện Ký châu và đánh vào Trung Sơn. Viên Thượng thua trận, bỏ chạy sang Tinh châu nương nhờ anh họ Cao Cán, nhưng Cao Cán đã trở mặt hàng Tào Tháo, vì thế phải chạy về U châu theo anh hai Viên Hy.

Tào Tháo thấy họ Viên đã suy sụp, bèn gửi thư trách Viên Đàm rồi tuyên bố cắt đứt giao ước thông gia, gửi trả con gái Viên Đàm về với ông. Sau đó Tào Tháo mang đại quân tới đánh Bình Nguyên.

Viên Đàm không chống cự nổi, bỏ Bình Nguyên về cố thủ ở Nam An. Tháng giêng năm 205, Tào Tháo kéo quân tới Nam An. Viên Đàm mang quân ra ngoài thành nghênh chiến. Hai bên sắp giao tranh, Viên Đàm đột nhiên cúi đầu, giả cách bị trúng phong, quay ngựa chạy trốn[5]. Một thủ hạ của Viên Đàm đuổi theo hất ngã ông xuống đất rồi chém đầu ông mang tới chỗ Tào Tháo lĩnh thưởng.

Hạ được Thanh châu, không lâu sau Tào Tháo tiêu diệt nốt U châu và Tinh châu, hoàn toàn làm chủ miền bắc.