Цао Цао выведен в романе «Троецарствие» как наиболее колоритный злодей своего времени. Для китайцев он является одной из самых ярких и узнаваемых фигур национальной истории. В его распоряжении находились самые многочисленные армии древности — числом до миллиона воинов. После победы при Гуанду он стоял на пороге объединения Китая под своим скипетром, но уступил инициативу Сунь Цюаню и Лю Бэю в результате сокрушительного поражения в битве у Красной Скалы.
Его отец Цао Сун происходил из рода Сяхоу, таким образом, его родовое имя было Сяхоу Сун. Фамилию Цао он (а следовательно и сам Цао Цао), получил от усыновившего его придворного евнуха Цао Тэна. Из романа «Троецарствие» про Цао Цао известно, что в двадцатилетнем возрасте он сдал экзамен и получил должность начальника уезда к северу от тогдашней столицы империи, города Лоян. Управляя уездом, он добивался неукоснительного исполнения законов всеми жителями, а нарушителей карал независимо от чинов и знатности. В частности, однажды он приказал избить палками дядю одного из придворных евнухов, за то, что тот шел по улице вооруженным. За это он был повышен в чине. Но настоящую славу Цао Цао принесло подавление восстания Жёлтых повязок. Когда вcпыхнуло восстание, он был пожалован званием ци-ду-вэй (звание старшего командного состава конницы), получил под командование 5000 воинов и был направлен на усмирение восставших. С этого момента и начинается его восхождение на вершину власти.
В это же время после смерти императора Лин-ди фактическую власть в стране захватил влиятельный военачальник Дун Чжо, который сперва низложил, а затем убил сына и наследника покойного императора Лю Бяня (Шао-ди) и возвел на престол его сводного брата Се, принявшего имя Сянь-ди, но фактически не правившего. Цао Цао организовал заговор против всесильного узурпатора и даже попытался его убить, но потерпел неудачу, был объявлен преступником и вынужден податься в бега. После этого он организовал союз князей во главе с Юань Шао для борьбы с узурпатором. Война шла с переменным успехом, но в конце концов закончилась поражением Дун Чжо и его бегством из Лояна. Однако, после поражения Дун Чжо ополчение распалось и бывшие соратники начали сражаться уже между собой. Цао Цао попытался преследовать диктатора один, без квалифицированного войска и был разбит. Позже Дун Чжо погиб от рук заговорщиков во главе с Люй Бу, подкупленным Цао Цао. В этот период Цао Цао вёл с переменным успехом борьбу против объявивших себя независимыми князей Люй Бу, Юань Шао и Юань Шу, которых, в конце концов, сумел разбить, несмотря на несколько понесенных от них крупных поражений. В частности, в одной из битв он лишился сразу двух ближайших родственников — племянника и старшего сына.
В ослабленной междоусобицами империи власть императора Сянь-ди с самого начала была чисто номинальной — фактически империя уже распалась на три части - Сунь Цюань обосновался в юго-восточных землях, а Лю Бэй — в юго-западных — наступило время Троецарствия. Цао Цао получил от императора высший в государстве титул чэн-сяна (канцлера или премьер-министра). Самого же ханьского императора он держал в своей столице как марионетку и дополнительный козырь в борьбе за объединение Поднебесной. Обо всем, что происходило в империи, сперва докладывали Цао Цао и только потом — императору. В процессуальном плане он тоже получил невиданные доселе права. Как гласит роман «Троецарствие», ему было разрешено при обращении к императору не называть предварительно своего имени, входить во дворец неспешным шагом, а не бегом, а также находиться в присутствии императора обутым и при оружии. Для своей защиты он создал отряд личных телохранителей числом в 10 тысяч человек — Отряд Тигров. Вскоре Цао Цао получил от императора сперва титул Вэйского гуна, а затем — и Вэйского вана, т.е. фактически самостоятельного правителя северного княжества Вэй.
Когда при ханьском дворе объявился дальний родственник династии Лю Бэй, император признал в нем своего дядю, но сам Цао Цао усмотрел в нем опасного соперника и угрозу своему всевластью. Поэтому сперва он попытался склонить его на свою сторону, но, поняв, что это ему не удастся, начал вынашивать планы по его устранению и в конце концов, они превратились в злейших врагов.
На Цао Цао неоднократно покушались, но всякий раз из-за различных причин замыслы заговорщиков срывались, а самих их казнили.
В декабре 2009 года китайские археологи предположительно нашли место погребения Цао Цао у города Аньян (провинция Хэнань). Могильный комплекс расположен на территории, занимающей 740 кв. метров.