Cao Cao murió de una enfermedad en Luoyang.
Después de que Sun Quan capturara a Guan Yu y capturara Jingzhou, Cao Cao representó a Sun Quan como un general de húsares y pastor de Jingzhou. Sun Quan envió enviados para rendir homenaje a Cao Cao y persuadió a Cao Cao para que reemplazara a la dinastía Han y afirmara ser el emperador de la dinastía Wei. Cao Cao mostró la carta de Sun Quan a todos los funcionarios nacionales y extranjeros, diciendo: "¡Mi hijo quiere sentarse en mi estufa junto al fuego!". Los funcionarios de Cao Cao aprovecharon la oportunidad para persuadir a Cao Cao de que se presentara. El propio Cao Cao no quería deponer al emperador Xian y establecerse por su cuenta. Dijo: "Si el destino es mío, seré el rey Wen de Zhou".
En el primer mes del siglo veinte. Quinto año de Jian'an (220), Cao Cao regresó a Luoyang. Ese mes, murió de una enfermedad en Luoyang a la edad de sesenta y seis años, y su título póstumo fue Rey Wu. Antes de su muerte, dejó una "orden póstuma". Según el testamento de Cao Cao, fue enterrado en Gaoling en los suburbios occidentales de Yecheng el 21 de febrero (11 de abril).
En octubre de este año, el rey Cao Pi de Wei reemplazó a la dinastía Han y se proclamó emperador. Su país se llamó Wei. Sucedió a Cao Cao como emperador Wu y su templo se llamó Taizu.