袁谭在袁绍平定河北的过程中屡建战功。公元196年(建安元年)，袁绍将袁谭过继给亡兄袁基为继子，并让袁谭出守青州为都督，后曹操封其为刺史，袁谭到青州之时，所控制地盘只有平原，于是在北排田楷，东攻孔融，曜兵海隅，终于占有整个青州，之后便据守此地。百姓欣喜，但后因用人不当、到处掳掠、赏罚不公而大失民心。建安四年(199年)，欲迎接袁术，但为刘备所阻挠。建安五年(200年)，刘备兵败，经袁谭引领袁绍。同年，袁谭随袁绍参加官渡之战，曹操火烧乌巢时，袁绍对袁谭说：“就算曹操打败淳于琼，我攻占曹操的军营，他必然没地方可回了。”于是派高览、张郃等人进攻曹操军营，攻不下来。二将听说淳于琼等人战败，就投奔曹操。这时袁绍军中惊恐慌乱，彻底溃败。袁绍和袁谭等人头戴幅巾，骑着马，与八百名骑兵渡过黄河，到达北岸的黎阳，进入其将领蒋义渠的军营。
建安七年(202年)，袁绍忧愤而死。之前袁绍以袁尚美貌及后妻刘氏所喜爱而欲立为继承人，但未正式表态，众人认为袁谭为长子应为继承人，但逢纪、审配一派与辛评、郭图、袁谭一派不和，审配等人害怕袁谭即位以后辛评等人为害自己，就假托袁绍的遣命，拥戴袁尚作为继承人。袁谭不能继位，自号车骑将军，兵进驻黎阳。袁尚给他的兵力很少，而且派逢纪跟随他。袁谭请求增派军队，审配等人商议不给，袁谭发怒，一怒之下杀了逢纪，兄弟二人渐生嫌隙。同年，曹操渡过黄河进攻袁谭，袁谭向袁尚告急，袁尚害怕袁谭得到士兵后不还，于是留审配把守邺县，自己率军队援助袁谭，与曹操在黎阳对峙。建安八年(203年)，曹操攻黎阳，大败袁尚袁谭，二人退守邺城。曹操攻邺，收割其麦田。此时曹操依从郭嘉之计，先行撤军静待二人自相残杀。
战后，袁谭对袁尚说：“我方铠甲不精，所以上次被曹操打败。眼下曹操撤退，人人想着回家，趁着他们没有遇河，出其不意发兵进攻，可以彻底击溃曹军，这个计策不可失去。”袁尚因怀疑而没有同意，既不给袁谭增派兵力，又不更换铠甲。袁谭大怒，郭图、辛评藉此机会对袁谭说：“要将军的父亲把将军过继给哥哥做后代的，都是审配用来构陷您的。”袁谭觉得有道理，就率兵攻打袁尚，双方在外城城门交战，袁谭战败，就率领部队退回南皮(今沧州南皮县)。别驾王脩率领官吏百姓从青州来援救袁谭，袁谭想回去再攻打袁尚，问王脩：“您有什么主意?”王脩说：“兄弟好比左右手，假如一个人准备同人格斗而弄断自己的右手，说‘我一定胜你’，像这样行吗?丢掉兄弟情分而不相亲，天下还有谁同他亲近?近来有人从中挑拨离间造成争斗，用来谋取一时的利益，希望您堵住耳朵不要听。要是杀掉几个阿谀奉承的手下，兄弟重新亲近和睦，来抵挡四方的敌人，可以横行天下。”袁谭拒绝;刘表亦写信给袁谭劝他与袁尚和好，但袁谭仍不接受。袁谭部下刘询此时则在漯阴叛变，诸郡响应，唯独东莱太守管统抛弃妻儿到南皮支持袁谭。及后袁尚大举进攻，袁谭兵败退回平原。袁尚围城，袁谭于是派遣辛毗向曹操求援，但辛毗见曹操时反而建议曹操应以此机会吞并河北，曹操于是派大军攻袁尚，袁尚立即退兵回救邺城。此时袁尚部下吕翔、吕旷叛变归顺曹操，袁谭却暗中刻将军印绶意图招降他们二人。
曹操知道袁谭并非一心归顺自己，但为了不让袁谭再与袁尚联手，于是让其子曹整娶袁谭女儿为媳妇以安其心。曹操还封其为青州刺史。建安九年(204年)，袁尚再攻平原，审配写了一封信给袁谭，袁谭看到书信后登城而泣。曹操派兵围邺解除袁谭之危。曹操围邺期间，袁谭立即叛变，略取甘陵、安平、勃海、河间。攻击袁尚于中山，袁尚败走故安，投靠袁熙。袁谭吞并袁尚部众，屯龙凑。曹操知道袁谭叛变后大加训斥，归还袁谭的女儿。十二月，曹操征讨袁谭，在城门口扎下营寨，袁谭连夜逃往南皮，靠近清河边驻守。乌桓峭王欲领五千骑援助袁谭，但为牵招所说服而不出兵。建安十年(205年)正月，曹操兴兵进攻南皮，袁谭奋力抵抗，终于在曹操急攻之下战败，袁谭披头散发，死命打马逃跑，追赶他的虎豹骑士兵料想他不是一般人，加紧追赶。袁谭从马上掉了下来，回过头来说：“喂，放我过去，我能够使你富贵。”话没说完，头已落地。这时候曹操杀了郭图等人，将他们的妻子儿女也杀了。据《南皮县志》记载：“谭本败军，已是惊弓之鸟，士无斗志。曹操趁机发起猛攻，破南皮城，袁谭败逃，被曹操所杀。袁谭葬于李保民村东，其墓已洇。”