曹操的病情日益严重。有一天晚上，他梦见三匹马在同一个马槽里吃草。到了早上，他问贾诩：“我以前曾梦见过三匹马在同一个马槽里，怀疑是马腾父子会给我带来祸害。现在马腾已经死了，但昨晚我又梦见了三匹马在同一个马槽里。这是吉兆还是凶兆？”贾诩回答说：“禄马是吉兆。禄马归于曹，王上您何必疑虑呢？”曹操因此不再怀疑。后人有诗评论说：三马同槽的事情很可疑，但曹操不知道这已经为晋朝的建立奠定了基础。曹操虽然是个奸雄，但怎么能识破朝中的司马师的阴谋呢？
就在那个晚上，曹操睡在寝室里，到了三更时分，他突然感到头晕目眩，于是起身伏在桌子上休息。突然他听到大殿中传来像撕裂绸缎一样的声音，曹操吃惊地望去，忽然看见伏皇后、董贵人、二皇子以及伏完、董承等二十多人浑身血污地站在愁云之中，隐隐约约听到他们索命的声音。曹操急忙拔剑向空中砍去，突然一声巨响震塌了殿宇的西南一角。曹操被吓得倒在地上，被近侍救出后迁移到别的宫殿养病。
第二天晚上曹操又听到殿外男女哭声不断。到了早上他召集群臣进来说：“我在战争中三十多年从未相信过怪异的事情。但今天为什么会这样呢？”群臣建议说：“大王应该命令道士设坛祈祷消灾。”但曹操叹息道：“圣人说过：‘如果得罪了上天就无法祈祷了。’我的天命已经尽了怎么还能救得回来呢？”于是他没有同意设坛祈祷。
第二天曹操感到气息上冲眼睛看不见东西急忙召见夏侯惇商议。夏侯惇走到殿门前也看见了伏皇后、董贵人、二皇子等人的幻象吓得昏倒在地被左右的人扶了出去从此得病。曹操又召见曹洪、陈群、贾诩、司马懿等人到他的床前嘱咐后事。曹洪等人叩头说：“大王请保重身体不久一定会康复的。”但曹操说：“我纵横天下三十多年已经消灭了所有的群雄只有江东的孙权和西蜀的刘备还没有被消灭。现在我病危了不能再和你们共事了我把家事托付给你们。我的长子曹昂是刘氏所生的但不幸早年死在宛城。现在卞氏生了四个儿子：丕、彰、植、熊。我平时最喜爱的是第三子曹植但他为人虚浮不诚实喜欢喝酒放纵所以不能立他为继承人。次子曹彰勇猛但没有谋略；四子曹熊多病难以保重。只有长子曹丕忠厚谨慎可以继承我的事业。你们应该辅佐他。”曹洪等人哭着领命而出。
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曹操又命令近侍取来平日所藏的名香分赐给各位侍妾并嘱咐说：“我死后你们要勤于学习女工多做丝鞋卖了可以得到钱自给自足。”他又命令各位侍妾多住在铜雀台中每天设祭必须让女伎奏乐上食。他又在彰德府讲武城外设立了七十二个疑冢并说：“不要让后人知道我的葬处因为我怕被人发掘。”嘱咐完后曹操长叹一声泪如雨下。不久他就气绝身亡了享年六十六岁。这时是建安二十五年的春天正月。
后人有《邺中歌》一篇感叹曹操的一生。诗中描述了曹操的雄才大略、文武双全以及他的功过是非。最后诗中提到曹操虽然是个英雄但也有儿女情长的一面他在临终前分香卖履的遗命表现出他的人性化一面。同时诗中也对那些轻议曹操的书生进行了嘲讽认为他们不了解真正的英雄。
曹操去世后文武百官都为他举哀并派人去通知世子曹丕、鄢陵侯曹彰、临淄侯曹植、萧怀侯曹熊等人前来奔丧。
众官员用金棺银椁将曹操入殓，连夜将灵柩运往邺郡。曹丕得知父亲去世的消息，放声痛哭，率领大小官员出城十里，跪在道路上迎接灵柩入城，停放在偏殿。官员们都挂上孝服，聚在殿上痛哭。
突然，一个人挺身而出说：“请世子节哀，我们来商议大事。”大家一看，原来是中庶子司马孚。司马孚说：“魏王已经去世，天下震动，我们应当早日立嗣王以安定人心，何必只是哭泣呢？”群臣说：“世子应该继位，但没有得到天子的诏命，怎么可以轻率行事呢？”
兵部尚书陈矫说：“如果魏王在外去世，而我们私自立爱子为王，彼此间发生变故，那么国家就危险了。”于是，他拔剑割下袍袖，厉声说：“就请世子今天继位。如果有官员有异议，就以此袍为例！”百官都感到惊惧。
忽然有人报告说华歆从许昌飞马而来，大家都感到惊讶。不一会儿，华歆进入大殿，众人询问他的来意。华歆说：“现在魏王去世，天下震动，为什么不早点请世子继位呢？”众官说：“正因为没有等到诏命，我们才商议想以王后卞氏的慈旨立世子为王。”
华歆说：“我已经从汉帝那里取得了诏命。”说着从怀中取出诏命宣读。原来华歆为了谄媚魏国，所以草拟了这份诏书，威逼献帝下诏。献帝只得听从，下诏封曹丕为魏王、丞相、冀州牧。曹丕当天就登位接受大小官员的朝拜。
正在宴会庆贺的时候，忽然有人报告说鄢陵侯曹彰从长安率领十万大军来到。曹丕大惊，问群臣说：“我这个黄须小弟，平日性格刚烈，精通武艺。现在他带兵远道而来，一定是来和我争夺王位的。这可怎么办？”
忽然，阶下有一人应声而出说：“我愿意去见鄢陵侯，用几句话就能说服他。”众人都说：“除了大夫您，没有人能解除这场灾祸了。”