馬鐙時代騎兵的突擊能力大大增強，騎兵的地位及作用也大大加強，日漸成為戰爭的主角。因為馬鐙能將騎兵與馬匹很好地結合成為一個整體，馬鐙除由鞍韉和馳驅所提供的前後兩方支撐外，又加上側麵的支撐，有效地把馬和騎兵融合成為足以發揮前所未見強力的一個單獨戰鬥單位。東漢開始在戰馬的胸部裝上皮革製成的“當胸”，增強防護力，使其具有更好的戰場生存能力。
三國時代，出現了比較完善的馬鎧，但是當時這種裝備非常昂貴。曹操在《軍策令》中說到袁紹有三百具馬鎧，然後傷心地說自己的軍隊連十具也沒有。
官渡之戰時，袁紹上萬騎兵部隊加在一起也隻有幾百具馬鎧，裝備馬鎧的騎兵可視為重騎兵。然而即使實力雄厚如袁紹，其重騎兵的比率也不過隻占全部騎兵的百分之三。中原騎兵本就很少，重甲騎兵更少，乃軍中之精銳。
這時的馬鎧仍然用的是皮革甲片，長矛的正麵狠命穿刺仍然可以洞穿護甲。漢代士兵的護身鎧甲是很重的，普通士兵的鎧甲是熟牛皮製成的皮甲，護住前胸和背部；更好的魚鱗鎧，鐵片重疊編成，是漢代士兵的最好裝備，因為鐵色黑，所以叫“玄甲” ，一身鐵片穿在身上自然不輕，少則十幾斤重則幾十斤。要是穿著全身鎧甲走路，走不了幾裏人就累垮了，所以一般不是列陣開仗的時候，沒人穿它。鎧甲不穿就隻能放在車上拉著走。
在如此狀況之下，曹軍突然與數萬烏桓騎兵遭遇，曹操手下不少人都嚇得麵無人色，一旦讓幾萬烏桓騎兵衝上來，尚未來得及披甲的曹軍勢必要吃大虧。
曹操登高遠望，見烏桓軍陣淩亂，心裏有了底，馬上派出自己最得力的兩員大將張遼、張郃為先鋒，帶領前鋒部隊衝擊敵陣，為大隊人馬披甲布陣贏得寶貴的時間。
張遼、張郃不愧名將本色，危急時刻，立顯神威，令掌旗兵揮動旌旗，擂鼓手敲響戰鼓，一馬當先，衝向敵軍，部下隨之呐喊著衝進敵陣。曹純（曹仁弟弟）奉曹操之命率領曹軍精銳——曹操的宿衛軍虎豹騎隨後跟進，也殺進敵陣。
虎豹騎乃曹操從全軍選拔的精銳，以騎兵為主，全是身經百戰的老兵，戰鬥經驗豐富，這支部隊平時擔任曹操護衛，戰時隨同出征，領兵主將曹仁、曹純都是“曹家將”心腹親信，不到危急關頭，曹操是舍不得用這支嫡係部隊的，此時此刻，正是虎豹騎大發神威之時，養兵千日，用在今日。
精銳就是精銳，張遼、張郃的先鋒軍就已經很難對付，再加上曹純的虎豹騎，幾乎是勢不可擋。烏桓騎兵戰鬥力雖強，一來倉促上陣準備不足，還未進入戰鬥狀態，曹軍便已殺到麵前；二來，曹軍千裏遠征孤軍深入，如不能取勝，身死塞外幾乎是肯定的，曹軍人人清楚己方處境，如果打不贏麵前這些凶悍的烏桓騎兵，那麼等待他們的隻有死亡或生不如死的俘虜奴隸生涯。
為了活著回家，為了不當俘虜，更為了勝利，深入死地的曹軍別無選擇，爆發出驚人的戰鬥力！曹軍本就訓練有素，加上奮勇向前的勇氣，殺入烏桓兵中，見人就砍，逢人就殺，所到之處血肉橫飛。
兩軍騎兵揮舞馬刀迎頭對衝，刀劍的碰撞聲、馬刀砍入肉體的沉悶聲、士兵們聲嘶力竭的喊殺聲混在一起，不時有人被砍翻在地，不時有人栽下馬瞬間被後麵的騎兵踩踏而死，雙方騎兵各自衝入對方隊伍之中，揮刀砍殺，騎兵一片片倒下，很快死傷滿地，血流遍野。不論是曹軍還是烏桓兵都付出了慘重代價。
就在雙方殺得難解難分之時，曹純的虎豹騎在亂軍之中終於找到了蹋頓單於，幾個回合後，蹋頓的腦袋就被砍了下來。蹋頓一死，烏桓騎兵的戰鬥意誌瞬間崩潰，全軍頃刻瓦解，作鳥獸散。曹軍趁勢掩殺，烏桓兵開始四散奔逃。
也在軍中廝殺的袁尚、袁熙以及遼東烏桓單於速仆丸、遼西、右北平的烏桓酋長等人眼見大勢已去，拋棄部眾率親信向東逃竄。袁尚、袁熙此時手下還有數千騎兵與幾位烏桓酋長逃奔遼東。
大戰之後的戰場，屍橫遍野，投降的烏桓兵、袁尚舊部加上烏桓部族人有二十多萬。曹軍乘勝占領柳城。烏桓的侯、王、酋長紛紛向曹操投降。曹操趁機收編三郡烏桓，將烏桓精銳騎兵編入自己軍中，從此三郡烏桓騎兵為曹操所用，成為曹軍中的精銳。
有人勸曹操趁勢率軍殺入遼東將袁尚等殘餘勢力徹底消滅，以免後患，順便將割據遼東的公孫康也一起鏟平。曹操聽了微微一笑，說：“不必，你們看著吧，要不了多久，公孫康就會派人把袁尚等人的人頭給我們送來。”
九月，曹操下令從柳城班師。大軍還在途中，公孫康果然派人追上，送來袁尚、袁熙、速仆丸等幾人的人頭。眾將見事情的發展果如曹操所料，都對曹操佩服得五體投地，說主公您簡直料事如神，您怎會知道公孫康一定會殺了袁尚？
曹操哈哈大笑說：“這也不難，公孫康一向畏懼袁氏勢力，袁紹在時也一直想吞並遼東。他們彼此之間本就心存猜忌，如果我軍進攻遼東，公孫康為自保必然跟袁尚等人合兵一處聯合對付我們；但如果我軍撤軍表示對其並無敵意，公孫康也就放心了，如此一來，袁尚對他就沒有用處反而成了威脅，殺袁尚，可以保住自己的地盤還可討好我們，他何樂而不為！所以我料定公孫康必殺袁尚。”眾將聽了對曹操更加欽佩，敬如神明。
事情的發展與曹操所料一般不二，袁尚、袁熙、速仆丸逃進遼東的時候身邊還有幾千騎兵，隨後被打散的舊部聽說袁尚在遼東也陸續來投，這樣，袁尚手裏還有一支數量可觀的部隊。
袁尚等人來投奔公孫康時，公孫康心裏並不情願，但還是笑臉相迎，把袁尚等人接入遼東。
袁尚本人勇武好鬥，對自己的文韜武略頗有自信，打算伺機幹掉公孫康，自立為遼東之主，袁尚的小算盤打得挺好，他想自己雖然丟了冀州等四州，但遼東也有數郡之地，部眾數十萬，憑這些力量也可以成事，加上烏桓鐵騎，打回冀州反敗為勝也不是不可能。
袁尚把自己的兄弟袁熙找來，兄弟兩人一拍即合。正巧這時，公孫康有請，袁尚、袁熙就準備找機會下手，可他們萬萬沒想到的是，此時的公孫康也在打著同樣的主意。曹操大軍近在咫尺，就是衝著袁氏兄弟來的，自己如果收留他們，勢必得罪曹操。曹操何等人，如何得罪得起。再說，袁氏父子昔日對自己並無恩惠，還總想吞並自己，不如殺了他們，結好曹操，對，就這麼辦。打定主意，公孫康這才派人來請兩位還在做著美夢的袁公子。
事先，公孫康派刀斧手埋伏在自己的專用馬廄內，然後把袁尚、袁熙騙進馬廄，說是要送幾匹自己的好馬給兩人，兩人並未起疑乖乖進了馬廄，剛一進來就被早已埋伏多時的刀斧手們一擁而上，打翻在地捆了起來。
被五花大綁的袁尚、袁熙被扔到地上，等候處置。這時已是初秋九月，遼東的天氣已經十分寒冷，袁尚坐在冰涼的土地上，屁股被凍得生痛，從小嬌生慣養的袁公子哪受過這種罪，哭著喊著說，地太涼，請公孫康給張墊子。旁邊的袁熙看到自己的弟弟這副熊樣都覺得丟人，他也知道事到如今必死無疑，衝著袁尚嚷道：“我們的腦袋就要搬家了，還要什麼墊子。”袁熙說得很對，公孫康逮捕兩人後，也不客氣，很快就把兩人還有一起逃來的速仆丸斬首，人頭被放進精致的小匣子裏派人騎快馬送給曹操。
其實，曹操也很想順道把公孫康一塊兒滅了，但此時的曹軍長途行軍幾千裏已經非常疲勞，又經過激戰，急需休整，更重要的是隨軍攜帶的糧草也不多了，再不及時撤軍，大軍能不能活著回來都難說。
建安十二年（207）九月，曹操率軍從柳城出發，踏上歸途。
這次班師曹操走的是另一條路線，即從今遼寧朝陽沿海，經遼西走廊向南而行。
大勝而還，曹操心情澎湃不能自已，隨興寫下了《步出夏門行》樂府舊題組詩，開篇是序“豔”，接下來是《觀滄海》《冬十月》《土不同》《龜雖壽》四章。
豔
雲行雨步，超越九江之皋。
臨觀異同，心意懷猶豫，不知當複何從？
經過至我碣石，心惆悵我東海。
建安十二年孟冬十月，曹操征烏桓班師途中途經碣石（今遼寧綏中），留下千古詩篇《觀滄海》。
曹操的習慣是登高必作詩。所以當曹操班師途中到達碣石時，望海遠眺，見驚濤拍岸的場景，不禁壯懷激烈，寫下《觀滄海》的千古名句。
觀滄海
東臨碣石，以觀滄海。水何澹澹，山島竦峙。
樹木叢生，百草豐茂。秋風蕭瑟，洪波湧起。
日月之行，若出其中；星漢燦爛，若出其裏。
幸甚至哉，歌以詠誌。
碣石宮到底位於何處，曾引發激烈爭論。現可以確定曹操所作《觀滄海》中提到的碣石就是位於遼寧綏中的薑女石。
1954年，毛澤東來到當年曹操吟詠《觀滄海》的碣石，熟知三國曆史的領袖觸景生情，以他詩人特有的豪邁寫下了那首著名的《浪淘沙·北戴河》。
浪淘沙·北戴河
大雨落幽燕，白浪滔天，秦皇島外打魚船。
一片汪洋都不見，知向誰邊？
往事越千年，魏武揮鞭，東臨碣石有遺篇。
蕭瑟秋風今又是，換了人間。
大軍班師途中，塞外惡劣的天氣終於顯示了它的威力，沙漠被狂風吹起，漫天黃沙鋪天蓋地，吹得人眼睛都睜不開，士兵每走一步都相當吃力。曹軍就在黃沙狂風中行軍，備嚐艱辛。
接下來的《冬十月》《土不同》可說是曹操這段經曆的真實寫照。
冬十月
孟冬十月，北風徘徊，天氣肅清，繁霜霏霏。
鶤雞晨鳴，鴻雁南飛，鷙鳥潛藏，熊羆窟棲。
錢鎛停置，農收積場。逆旅整設，以通賈商。
幸甚至哉！歌以詠誌。
初冬十月，北風呼嘯，氣寒肅殺，寒霜厚密。鶤雞在清晨鳴叫，大雁向南方遠去，猛禽藏身匿跡，就連熊羆也都入洞安眠。農民放下農具不再勞作，收獲的莊稼堆滿穀場，旅店忙於迎來送往過往商旅。我能到這裏是多麼幸運啊！
土不同
鄉土不同，河朔隆冬。流澌浮漂，舟船行難。
錐不入地，蘴藾籟深奧。水竭不流，冰堅可蹈。
士隱者貧，勇俠輕非。心常歎怨，戚戚多悲。
幸甚至哉！歌以詠誌。
這裏的鄉土與河南（黃河以南）大不相同。河裏漂浮著冰塊，舟船難以前行；地被凍得用錐子都紮不進去，田地荒蕪長滿幹枯厚密的蔓菁和蒿草。河水凍結不流，堅冰覆蓋，人可在上麵行走。隱居的士人窮困潦倒，而好勇鬥狠的人卻隨意犯法。我為此歎息怨恨，心中充滿了悲傷和憂愁。
十月，塞外天氣寒冷，曹軍還穿著出征時的夏衣，衣裝單薄，這也是曹操急於回撤的原因之一。大風狂沙、天寒地凍，這些還能克服，最要命的是曹軍所經過的地區是沙漠邊緣，這裏常年幹旱，缺乏水源，大軍時常因缺水而陷入窘境。
一次，大軍走了二百裏，竟然沒找到一處可飲用的水源，士兵們口渴難忍，雪上加霜的是，隨軍帶的幹糧也吃光了，最後隻好殺馬充饑，幸好跟烏桓一戰繳獲了不少馬匹，就這樣一路靠殺馬吃馬肉勉強行進，部隊才得以維係。
雖然能吃飽，但沒有水喝的滋味實在難以忍受，這裏不同中原，曹操再不能用“望梅止渴”的小聰明。最後，曹操隻得下令大軍暫停行進，令水工勘察地勢，鑿井取水，一直挖到地下三十餘丈才出水。
回師路上，雖無敵軍，卻依舊險象環生。應了那句老話，福不雙至禍不單行，路上，曹操最為信任倚重的謀士郭嘉病倒了。郭嘉的身子本來就弱，加上長途奔波，旅途艱辛，郭嘉到底沒撐住，還是倒下了。曹操十分掛念郭嘉，派專人護送郭嘉先行回去，一路上曹操派來詢問病情的使者絡繹不絕相望於道。
大軍還未到鄴城，郭嘉就病死在路上，終年三十八歲。曹操聽聞噩耗，痛心不已，對失去這個左膀右臂十分惋惜，郭嘉足智多謀是曹操的智囊，每逢有軍國大事，曹操一定要找兩個人商量，一個是荀彧，另一個就是郭嘉，荀彧常常留守，郭嘉則經常隨軍出征。曹操曾感歎：“隻有郭奉孝能明白孤的心意。”
曹操為郭嘉舉行了隆重的葬禮，曹操對在場的荀攸眾人說：“你們年紀跟我相仿，隻有奉孝最少，孤之本意百年之後欲將大事托付奉孝，未承想中途作別，這難道是天意嗎？”在給朝廷的表章中，曹操滿懷深情地寫道：“軍祭酒郭嘉，隨臣征戰十有一載，每有決策，郭嘉則獻計謀妙策，臣思慮未詳，郭嘉之計已成。臣能平叛四方掃清河北，郭嘉決策謀劃功勞甚著。郭嘉之勳不可忘。”這與其說是說給皇帝不如說是曹操自己對這位心腹謀士的一生的肯定。
曹操與郭嘉感情深厚，親近程度遠超其他謀士，郭嘉去世後，曹操悲痛之餘下令追加郭嘉的封邑。
建安十二年（207）十一月，大軍行至易水，代郡烏桓單於普富盧、上郡烏桓單於那樓率領部眾紛紛來軍前道賀曹操遠征勝利歸來，這些家夥之前一直態度曖昧不肯明確表態，坐山觀虎鬥，現在眼看曹操實力強大，連蹋頓都被平滅，實力遠不如蹋頓的他們哪裏還敢得罪曹操。
建安十三年（208）正月，曹軍長途跋涉數月後終於回到鄴城，結束曆時十個月的遠征。遠征塞外讓曹操跟他的手下們飽嚐了塞外的風沙，凶悍的烏桓騎兵，還有那噩夢般的沙漠行軍經曆，這一切都讓曹操對這次遠征刻骨銘心，心有餘悸。但這次遠征總算徹底消滅了袁氏的殘餘勢力，也讓那些袁氏舊部徹底歸附，直到這時，曹操在冀州的地位才算真正坐穩。同時這次遠征也讓烏桓人領教了中原軍隊的厲害，此後不敢輕舉妄動，邊境也得以安寧。
這次遠征唯一的不足或者說是遺憾的話，就是沒有趁勢消滅遼東的公孫勢力，未能實現北方的徹底統一。
並非曹操不想解決遼東的公孫康，像曹操這種霸氣外露的人怎肯讓別人睡在自己的臥榻旁，他不打是因為，此時他對遼東鞭長莫及。遠征烏桓，曹軍戰力及出擊距離已經達到當時後勤保障的極限。
曹軍遠征最大的困擾不是公孫康而是後勤，曹軍遠離後方，長途遠征，需要冒很大風險，雖然做了精心準備，最後回師時還是不得不殺馬充饑，如此狼狽，自然沒有餘力再去攻公孫康。
曹操最早跟公孫家族有所接觸還是在北上攻擊袁尚、袁譚之前，當時曹操為了不讓遼東的公孫度（公孫康他爹）插手，特意封官許願以穩住這位遼東“王”，令其作壁上觀，不讓他南下增援袁氏兄弟。