不出郭嘉所料，呂布果然從北門殺出，率千餘騎向袁術求救，到半路上被數倍曹軍圍困，隻身逃回下邳，從此不敢再出城應戰。曹操久攻不下，便想退軍。郭嘉等人竭力勸說曹操繼續攻城，郭嘉分析說：“呂布雖然驍勇，但沒有智謀。他現在三戰皆敗銳氣已衰竭了，三軍以將為主，主將沒有銳氣，則士兵更無鬥誌。另外，呂布雖有陳宮作謀士，但呂布剛愎自用，加上陳宮的主意一向來得慢，如今正好乘呂布銳氣尚未恢複，陳宮主意沒有拿定之時，進軍急攻。”
而疲師遠征本為兵家大忌，大軍屯堅城之下，若久攻不克，則尤為不利。現在，曹、呂兩家都已疲憊不堪，誰能再堅持下去，誰就有獲勝的希望。在這個關鍵時刻，聽說曹操準備退兵，眾謀士都非常焦急，荀攸力勸曹操萬不可撤軍。郭嘉緊接著說：“過去項羽一生大小七十餘戰，未曾敗北，一朝失勢於垓下，卻身死國亡。其原因，就在於他依仗自己的驍勇善戰，卻少謀略。如今，呂布同樣有勇無謀，而且連吃敗仗，銳氣早已衰竭，勇力已盡。呂布的威力遠不及項羽，而困敗的窘狀卻有過之而無不及，在此形勢之下，若乘勝猛攻，則下邳一定可拔，呂布必將受擒。”
到了秋天，陰雨連綿，泗水、沂水都漲滿了。看到這一情況，經過實地勘察，荀攸、郭嘉又生一計：水攻。也就是挖泗水、沂水，淹灌下邳城，以水代兵。曹操正在一籌莫展之際，得此妙計，自然大喜，立即令士卒水攻。沂、泗河水，滾滾衝向下邳城。又過了一個來月，呂布更加急迫，在城上對曹軍兵士說，你們不要再逼迫我，我要向明公自首。陳宮說，曹操不過是個逆賊，怎麼配稱明公，並指出現在投降，也保不住性命。呂布部將侯成丟失一匹好馬，不久又找回來，諸將湊起禮物來向他祝賀。侯成設宴招待諸將，先分出酒肉獻給呂布。呂布發怒說，我下令禁酒，而你們違令釀酒，是打算借喝酒來共同算計我嗎？侯成又氣又怕。十二月癸酉（二十四日），呂布的大將侯成、宋憲、魏續等人為了尋求生路，便發動兵變，綁了陳宮、高順等率部投降曹操。呂布與餘下親信登上白門樓，曹軍四麵緊逼，呂布見大勢已去，命令左右把他的人頭砍下去投降曹操，左右不忍下手，呂布隻好下樓投降。
曹操在白門樓上召集文武官員，懲辦呂布。呂布這時還嫌把他綁得太緊，曹操笑著說：“縛虎不得不緊啊！”呂布又表示願降，向他求饒。曹操深惡呂布之反複無常，就立刻斬殺了他。曹操又揮淚殺了恩人陳宮，以禮收葬。至此，曹操便控製了黃河以南的大片地區。
由此看來，郭嘉非常善於分析天下形勢，利用對方的矛盾，製訂正確的戰略戰術來戰勝對方。曹操迎漢獻帝到許昌，在政治上，取得了“挾天子以令諸侯”的有利地位；在經濟上，采納棗祗的建議，實行屯田製，有了充足的糧食供應。然而，當時曹操卻同時麵對黃河以北的袁紹、以徐州為中心的呂布、荊州的劉表和淮南的袁術，四麵受敵。郭嘉在詳細分析了各方麵形勢的情況下，建議曹操要充分利用袁紹攻打幽州的公孫瓚，連年興兵；劉表坐守荊州不思進取；袁術僭號稱帝，眾叛親離的大好時機，首先剪除割據於徐州一帶的呂布勢力。曹操采納了他的建議，於198年出兵徐州，攻打呂布。曹軍三戰三勝，但呂布的軍隊在下邳一帶頑強抵抗。由於曹軍遠道作戰，相持經月後，士卒疲憊，軍需供應也有困難，曹操就想撤兵北歸。郭嘉勸曹操：呂布同項羽一樣有勇無謀，如今他每戰必敗，內無糧草，外無援兵。如果不趁機消滅他，一旦袁紹消滅公孫瓚後來支援呂布，會給主公的霸業釀成無窮的後患。然後又獻計曹操，決沂水、泗水灌城，終於攻克了呂布的根據地徐州，呂布被誅，呂布割據勢力土崩瓦解，黃淮地區（指黃河、淮河之間）納入了曹操的勢力範圍。
郭嘉的分析，增強了曹操的信心，為曹操做出正確的戰略決策提供了依據。曹操聽從郭嘉等謀士的建議，乘袁紹進攻公孫朗之機，先消滅呂布，解除了自己的後顧之憂，然後用了兩年多的時間，擊敗了袁紹、袁術、張繡等敵對勢力，逐步由弱轉強，為全力對付袁紹創造了有利條件。郭嘉其間追隨曹操，屢出妙計，充分發揮了他作為高級參謀的輔佐作用。