公元207年，曹操率大軍北征烏桓，未抵無終，先派使者請田疇出山，又命他的軍謀掾委婉致意。田疇命部下快去整理行裝，唯恐向曹操報到遲了。這是因為他早已打定了投曹的主意。在此以前，好友邢顒曾告訴他，要先行一步，投曹去做一番平定天下的大事業。田疇就讚揚他是“民之先覺”。當時，有勢力的豪強和有名望的士大夫都在觀測政治風雲，決定自己的去就。稍有眼光的人，大都看出袁紹非托身之主，因為“紹貌寬而內忌，任人而疑其心”（《三國誌·荀彧傳》），連袁紹的部下，如荀彧、郭嘉、許攸、張郃等，都先後叛歸曹操，尤其是官渡之戰後，客觀形勢已經不允許田疇再觀望等待了。
曹操任命田疇為司空戶曹掾，讓官員帶領來見自己，向他詢問軍事。經過交談，曹操說：“這樣的奇才不是我可以使喚的吏員。”於是，舉為茂才，拜為蓨令，隨軍顧問。時值夏季多雨，濱海低窪積水，道路泥濘不通。烏桓又在山上據險扼守，大軍不得前進。曹操感到很棘手，問田疇有何良策。田疇說：“這條路常有積水，淺處不通車馬，深處不載舟船，這種困難已經很久了。北平郡的舊治平岡，縣境有著名的盧龍道。由此道出盧龍塞，可達烏桓首領蹋頓駐紮的柳城。自光武帝時，通柳城的路已塌陷不通，至今近二百年了。不過，有隱蔽小路，可以摸索前行。目下，烏桓會以為大軍到無終，遇阻而退，因而防守鬆懈。如果我們悄悄回軍，從盧龍口越過險峻的白檀山，進入無人地帶，路近而便。趁其不備，突然襲擊，一戰可以取下蹋頓的首級。”曹操采納了這個計策，下令退兵，在水側路旁的大樹上題字做了標記：“現在暑熱，路不通，等到秋冬再進軍。”蹋頓派出的偵探騎兵看見標記，信以為真。曹操命田疇率部曲為向導，上徐無山，出盧龍塞，過平岡，登上白狼堆。曹軍距柳城二百裏，烏桓才驚奇地發現。這時，袁紹之子袁尚已敗投烏桓，遂與蹋頓率兵前來迎戰。曹軍陣斬蹋頓，袁尚和少數潰兵逃到遼東太守公孫康那裏，也全被斬首。