汉中是关中司隶军区及蜀中益州间的缓冲地带，在刘焉有计划地策动和安排下，成了道教军领袖张鲁盘踞之地。当曹操平定关中，刘备统治益州之后，汉中地区的重要性暴增。
对刘备来讲，汉中是必争之地。“隆中策”里，诸葛亮便曾做过“刘璋暗弱，张鲁在北”的分析，也就是说，汉中对益州的安全具有决定性的威胁。何况日后，若欲北征统一中原，汉中更是必经之地。
不幸的是，当刘备和诸葛亮还忙着整顿益州的时候，曹操已在建安二十年击败张鲁，取得全部的汉中地区。
曹操的汉中战役，赢得相当辛苦，从建安十九年冬天，编组远征军，一直打到建安二十年冬天，整整一年才获得关键性胜利。之所以如此，主要是汉中地区形势险要，易守难攻，对外来的军队而言，无法掌握地利优势，易陷于相当程度的苦战。
建安二十年十二月，曹操在恢复汉中地区的政治秩序后，打算班师返回邺城。西征军刘晔和司马懿向曹操建议，应乘胜追击，攻入益州，消灭刘备的势力。
司马懿表示：“刘备以阴谋夺取刘璋基业，不少蜀中大族颇不服气。而且目前刘备的防线远及江陵，军力分散，是攻打的最好机会。我方大军已克汉中，益州必大为震动，大军压境下，民心士气很容易瓦解。自古圣人成大事在于不悖时机，请丞相立刻下令采取行动吧！”
曹操见到这些第二代精英，都有积极争雄的意图，相当高兴。不过他深知汉中之役，已是赢得侥幸，攻打拥有天险的益州可能要艰苦千百倍以上，何况刘备更非等闲之辈。
因此，曹操笑着表示：“人生的痛苦，皆来于不知足，何必既得陇，又望蜀呢？”
刘晔也向曹操建议道：“刘备人中豪杰，有理想，有毅力，只是早年的运气较差，如今已渐成气候，不得不防。他目前刚获得蜀中，人心未附，北方的屏障汉中又被我们夺得，相信蜀地现必受到极大的震撼，其势必衰。以明公之英武，趁其衰而征之，无不克也。若迟缓之，以诸葛亮之善于治国，关羽、张飞勇冠三军，蜀中民心不久便可趋于稳定，加上蜀地险要难攻，想要再进犯他们就难上加难了。今日不除，必为后患。”
曹操笑而不语，只要求刘晔详查蜀中之情报。
七天后，蜀中降者向曹操报告：“蜀中传来消息，全益州军民已因汉中有变而颇受震撼。一日之中，甚至有数十回事变，虽然当局一再对叛乱者采取严厉镇压手段，但似乎仍无法安定下来。”
曹操沉思了一会儿后，表示：“蜀中已定，不可击也。”
战场上的情报虚实难测，必须凭经验作直觉的判断。对方有弱点，不见得我方完全占优势。特别乐观的情报，常有其背后隐藏的因素。曹操能在短期间内，对彼此实力的消长有完整的评估，不被蒙骗，诚所谓“知己知彼，百战不殆也”。
以地理条件而言，汉中属于益州东北的一个边郡，周围环山，中间是汉中盆地，土地肥沃，物产丰富，不论在军事、经济、政治上都占有非常重要的地位。《郡国县道记》中，南宋名将张浚曾说：
汉沔为形势之地，前控六路之师，后据西蜀之粟，左通荆襄之财，右出秦陇之马，兵家必争沔久矣！
因此，在攻防上，汉中对曹操和刘备都相当的重要。
为了强化汉中的防务，曹操派出他刻意培养的同宗主帅夏侯渊为都护将军（曹操原姓夏侯氏），率领作战经验丰富的张郃和徐晃镇守，并以丞相府长史袭绥为汉中大军行政官，留督汉中事。
袭绥主持汉中居民的民事平抚工作，他以半自愿半强迫的方式，将有影响力的汉中世族八万余人，迁往洛阳和邺城一带，将汉中很快地纳入稳定的管辖之下。
刘备和诸葛亮心里都非常清楚，要从曹操手中夺取汉中，比从张鲁手中夺要困难上千百倍，因此一点也放松不得，只要稍有机会便全力掌握。
因此当黄权前往巴中迎接张鲁失败时，刘备便指示他趁机攻下朴胡等部落，夺下整个巴山地区。
夏侯渊自然不甘示弱，他下令张郃紧急率军进驻巴山地区。张郃积极鼓励其居民移入汉中，显示此区将成为大战的场所。张郃的行动意外地顺利，连益州的窄渠、荡石等军事重地均纳入其统辖中。
刘备也立刻出牌，他派出巴西太守张飞前来和张郃抗衡。张飞外表粗犷，脾气暴躁，其实心思相当细密，当阳长坂坡之役，如果不是他大胆地采用疑兵断后，刘备能否有今天，恐仍在未定之中。
面对张郃较为优势的兵力，张飞恃险而守，再运用熟悉巴中地形的部队，采用游击战术骚扰对方。
张郃也是小心翼翼地应付，彼此缠斗五十余日，不分胜负。由于张郃的补给线较长，粮食很快地消耗殆尽，心急之下，自然希望能速战速决。他派出不少细作，精密地监视着张飞的军事行动。
在得知张郃心情后，张飞再度采用当年对付严颜的策略，故意率领万余人马，假装由狭路前往偷袭张郃。
在探马告知此一机密情报后，张郃判断张飞是想趁自己粮少、军心不稳之际发动袭击，立刻率主力部队追随，由小路反追踪在张飞军之后，准备趁机发动反击。
想不到追击的军队在进入瓦隘口小路时，便失去了张飞军队的踪影。张郃知道中计，但山路狭小，前后军不得相救，张飞的埋伏军由两旁悬崖以巨石和箭雨攻击敌军，不长时间，张郃的精锐部队几乎死伤殆尽。
经验老到的张郃，弃马攀登险崖，甩脱了张飞军的追击。数万兵马只余数十人逃离战场，死伤非常惨重，是曹操汉中大军第一次严重的受挫记录。
建安二十二年，东吴西战线都督鲁肃病逝，消息传来，益州新政府立刻蒙上一层阴影。诸葛亮一方面为这位昔日志同道合的战友深为哀悼，一方面也因这位有远见、顾全大局的政治家之死，为孙刘联盟的前途感到担忧。
荆州守将关羽，空有武略，欠缺政治眼光，如果不是鲁肃刻意安排，孙刘关系早已闹翻。接任的吕蒙虽以智略见长，但政治头脑却又是另一回事。荆州情势会如何发展，诸葛亮相当的忧虑。
因此鲁肃去世后，唯恐日后东区战线有变，诸葛亮和刘备断定，必须尽快夺取汉中，巩固巴蜀的防务，才能拨出时间，重新处理孙刘之间的关系。
法正也向刘备建议：“前年曹操打败张鲁，平定汉中，却不乘势进取巴蜀，只留下夏侯渊及张郃等屯守，自己立刻领兵北还，并非其智略，实为力有所不及啊！当然也由于最近许都（汉献帝）和邺城（曹操）间的关系日益恶化，才会匆匆忙忙地赶回去。夏侯渊和张郃在战略上不如主公，若举师西征讨之，必能成功。拥有汉中之后，才能广种粮食，积极储蓄军需，时机一到，上可以荡灭敌寇，复兴汉室；中可兼并雍、凉二州，开拓疆土；下可以固守险要，与敌人持久相抗衡。这是上天赐予我们的良机，万万不可失去啊！”
到了建安二十三年春天，刘备接受法正建议。经过一年多的积极部署，已完全做好进攻汉中的准备。
另一方面，夏侯渊也全力在阳平关一带加强防御工事。一时之间，汉中盆地战云密布，一触即发。
刘备留诸葛亮看守成都，自己亲率益州大军倾巢而出，颇有势在必得的决心。
刘备汉中北征大军的编组如下：
统帅：刘备
总参谋长：法正
第一军：黄忠大军
第二军：张飞大军
第三军：马超大军
第四军：吴兰大军
预备师：赵云大军
刘备派遣张飞、马超、吴兰向北攻打武都郡，驻屯在下辨，有意截断曹操汉中军和关中地区的联系；自己则率黄忠大军先行，直接攻击汉中关键军事重镇；赵云则暂时留在益州，随时待命。
曹操在接获情报后，立刻下令在长安驻守的都护将军曹洪率同曹休大军一同前往阻挡张飞等的攻势。
三月中旬，曹洪军已进驻于武都郡，打算攻打在下辨驻守的吴兰大军，但张飞大军和马超大军在固山一带和吴兰军互成犄角，显然曹洪如果往前移动，他们随时有切断曹洪军补给线的意图。曹洪对此威胁非常头痛，因此召开紧急军事会议讨论对策。参与会议的将领都表示应停止前进，以免陷入张飞及吴兰军的夹击，尤其是马超西凉军，一向以勇猛闻名，与曹军更有宿怨，绝对轻敌不得。曹休独排众议，他表示：“敌军若真有意切断我们的后方粮路，理应秘密行动才能奏效。如今先张声势，正表示他们兵力不足，无此能力。因此，我认为应在他们集结以前，直接突击吴兰军，只要吴兰军溃败，张飞和马超势必无法守住固山。”
曹洪采纳曹休意见，亲率主力队袭击吴兰军，吴兰军不敌，副统帅任夔当场殉职，吴兰逃到阴平附近，也为氐族人所杀。张飞及马超本想前往驰援，但曹休亲自指挥大军固守武都郡，令张飞等无机可乘。刘备的兵马在未进入汉中之前，便被击溃了。
三月底，张飞、马超大军，果然无法承受曹洪优势军力的压迫，加上粮食补给困难重重，便往南退入汉中地区。
四月间，刘备主力大军已扎营于阳平关附近。夏侯渊、张郃、徐晃等人也不示弱，纷纷出关对抗。刘备派遣大将陈式抢攻马鸣阁道，以居高临下掌握优势。徐晃率军突击陈式，陈式由于缺乏准备，立刻遭到击溃，使刘备军在一开始的战争中，地利和声势都落于下风。
张郃更趁机进屯广石，和刘备主力军正面对抗，刘备屡次下令黄忠发动攻势，都被击退，第一军反而蒙受不少损失，刘备只得向益州征调赵云，前来助阵。
七月，曹操审视汉中战局情势，认为刘备有势在必得的决心，除非自己亲自出马，否则不易阻挡其攻势。乃重新考虑全盘规划，首先调回徐晃大军，令其协助张辽守卫对付孙权的东战线。自己则征调镇守豫、兖本营的夏侯惇大军、第二代精英主力曹真大军，以及刚由武都战场上回来的曹休大军，即刻西征。
九月，曹操的大军抵达长安，立刻派遣使者召回在武都的曹洪，以进一步了解汉中军情。
汉中军总指挥夏侯渊，一向以勇猛、负责、精干而闻名，因此获得曹操刻意提拔，在曹营中，威名更甚于其兄大将军夏侯惇，尤其在出任汉中军统帅后，和有人间豪杰之誉的刘备面对面独立对抗，并曾数度击败刘备军而声名大振，经常流露出不可一世的骄傲神气。
夏侯渊的口气愈大，曹操愈是替他担心。阳平关对峙期间，曹操特别写信告诫夏侯渊：“为大将者要懂得临事而惧，了解自我的怯弱，不可过分恃勇。不错，将领最重要的本质是‘勇敢’，但行动上则要有‘智慧’，完全凭勇猛者，只能敌一匹夫。”
夏侯渊接信后，却认为曹操高估了刘备，如今汉中军气候已成，刘备再多的增援军也奈何不了他。
建安二十四年正月，刘备在阳平关缠斗夏侯渊已近一年。诸葛亮由成都赶赴前线，和法正等共商对策，在两人的建议下，刘备准备采取诱敌战术。
刘备也看出夏侯渊轻敌而骄，不把益州军放在眼里，因此决定助长他的气势。
首先刘备把前线指挥交给第一军统帅、经验丰富又勇敢负责的老将黄忠，自己带着主力部队和法正等幕僚人员往南略撤退，表示有放弃汉中战场之意图，使夏侯渊更加的轻忽。
接着，刘备下令黄忠军攻击张郃所驻守的东城，并采取猛烈的火攻。夏侯渊闻讯，立刻令夏侯尚和韩浩率军驰援。黄忠军撤退，夏侯尚等乘胜追击，张郃苦劝不听，只好随后驰援。
黄忠军每日撤退一营，很快到达天荡山下。韩浩及夏侯尚追来，黄忠猛回头反击，左右伏军尽出。韩浩、夏侯尚遭此突击，全军大乱，两位主将当场战死。张郃见黄忠勇冠三军，不敢恋战，退回东城，采取守势。
黄忠乘胜攻击夏侯渊大本营的南城，夏侯渊大怒，倾巢而出，想歼灭黄忠军，以替夏侯尚等人复仇。
刘备派急使通知黄忠不可硬战，火速向沔水方向撤退，并和刘备主力军会师，驻扎于定军山上，居高临下，恃险而守。
由于连续快速调动，黄忠大军显得次序大乱，夏侯渊见状，以为敌军即将崩溃，乃带领少数亲卫部队猛追，想一举击杀黄忠。张郃闻讯，深怕有诈，立刻出兵前往支援。
但夏侯渊为了抢功，行动火急，孤军到达定军山下。法正在山上督阵，见夏侯军旗帜紊乱，军队调动忙成一团，部署上漏洞百出，认为时机成熟，便向刘备表示：“可击也。”
刘备下令黄忠率军由上往下攻击上山的夏侯大军。夏侯军毫无准备，想不到敌军会突然反击，在益州军的全力冲杀下，陷入混乱，呼天抢地各自逃奔。主帅夏侯渊及副将赵颐当场被杀，五千亲卫部队几乎全军覆没。
张郃的支援军赶到现场，闻此巨变，立刻火速退回阳平关坚守。由于统帅突然战死，群龙无首，人心惶惶，不知如何是好。
郭淮出面协调，他力荐张郃代理元帅，并获得诸将领的同意。张郃临危受命，先行稳定阳平关防务，并派急使向驻屯在长安的曹操报告。
夏侯渊战死当晚，刘备的主力大军再度来到阳平关前，隔汉水和张郃的本营对峙。
黑夜中，阳平关的守军只见对岸敌军灯火通明，显然准备明晨渡河前来攻击。在哀凄又紧张的气氛中，张郃召开军事会议，不少将领主张暂时恃险而守，以阻止刘备的强攻。
但郭淮却极力反对，他认为这是示弱的战术，如今曹军士气低落，如刘备倾力攻击，阳平关守军不见得便能坚守。不如隔汉水在距离较远地方布阵，显示我军不惧会战之心态，并表明敌军若渡河前来，必将在半渡时出击之。以刘备一向审慎的作战性格，反而会有所顾忌，不敢直接攻击。张郃大胆地采取其意见，亲率主力军在汉水旁布阵。
天明时，刘备亲赴前线，观察张郃的布阵，判断对方有决战之勇气，怕有伏兵，不敢强行渡河，因此撤军离去。
张郃此时才松了一口气，并在郭淮的规划下，强化防御工事，显示死守到底的决心。
曹操在接获郭淮报告后，非常嘉许他的应变措施，并立刻正式任命张郃出任汉中大军的统帅。
三月，曹操亲自率军，自长安出斜谷，率大军抵达阳平关，守军欢声雷动，士气大振。
隔岸观察的刘备，却满怀自信地表示：“曹公虽来，无能为也，我必能拥有汉川两地。”
下令居高恃险而守，不与曹操进行大规模会战。
由于原天荡山的储粮重地已失，曹军在粮食补给上倍加困难，即使如曹操之军事天才，也深为伤脑筋。
曹操不得不重新建立粮食输运管道，但缺乏天险掩护，常需要动用大批军队护送。
偏偏刘备抓到了曹军这一缺陷，专门动劫粮的脑筋，让曹操头痛不已，努力思考应付的对策。
有一次，曹操的军粮由北山下经过，黄忠立刻亲率第一军主力前往夺取，却陷入曹操近卫部队的埋伏，苦战不得脱身。预备的翊军将军赵云，见黄忠逾时未归，又恐轻易出阵会造成防务上的漏洞，乃下令副帅张裔镇守营区，亲率数十骑前往查看。
正好碰到曹操近卫军追击黄忠而至，将兵们见状无不心慌意乱，纷纷欲往后逃逸。赵云却下令一阵排开，自己一马当先，冲向前去迎击曹军，并接应黄忠溃散中的部队。由于曹军拥有压倒性优势，赵云且战且走，奔回自己设置于汉水北岸的营寨。
曹兵大军压境，张裔原本想紧闭营寨拒敌，想不到奔逃而回的赵云却下令大开营门，然后全营偃旗息鼓，保持完全的安静，自己率领数十骑立于营门前，准备迎接曹军的冲击。
眼见赵云背水而立，冲到营门外的曹军，皆以为必有伏兵，不敢轻易向前。赵云见曹军气势已失，下令金鼓齐鸣，亲自率军冲杀，并令张裔率弓弩队，以箭雨攻击撤退中的曹军。一时之间曹军反而失了主意，惊骇中自相踩踏，跌入汉水淹死者不计其数。
隔日，刘备亲临赵云营寨，视察战果，在得知当时情形后，不禁感叹道：“子龙（赵云字）真浑身是胆也。”
曹军丧失了这一次击溃益州军的绝好良机，反而遭到惨败，全军士气为之低落，加上粮秣不足的情况日益严重，虽想尽办法，仍很难彻底解决运粮问题，甚至不少军队都开始出现逃兵的现象，曹操深感进退两难。
五月夏，汉中雨季来临，庞大的曹军粮食补给更为困难，连负责向导的王平都离队投奔刘备。曹操不得已，在军事会议上，将汉中比喻为“鸡肋”：“鸡肋、鸡肋，食之无味，弃之可惜。”
情感上虽有些不甘心，但在理性思考下，曹操仍下令拔营撤军，将汉中地区拱手让给了刘备。
曹操在撤离汉中地区时，仍留下张郃及曹洪两军，分屯于陈仓和武都郡，以防止刘备由武都进逼关中；另外又下令雍州刺史张既，加强部署雍州边界之防务，并由曹氏子弟第二代精英曹真兵队，掩护曹洪军队逐渐撤离武都，结束了长达年余的汉中之役。
不过和《三国演义》中的描述不同，这次汉中战役自始至终都只有刘备和法正在指挥作战，诸葛亮后来虽也到过前线，商量军情，但大部分的时间仍在成都。绝对没有《三国演义》中诸葛亮智激黄忠、斩杀夏侯渊，再遣赵云战汉水，最后又用疑兵退曹操之事。
史实记载，曹操后来得知取汉中之谋略皆出于法正之手，还自我解嘲地表示：“我就知道，刘备不可能有此能力的。”其实，身为大将者，谋略何必都出于己手。吴起便曾有“群臣莫及则忧”的感叹！刘备能用诸葛亮之策取荆州，用庞统之计收西川，再用法正之谋夺汉中，正表明他是一个懂得选拔人才、运用人才的俊杰呢！
赤壁之战以后，曹操再度败于刘备，这是两位宿敌有生之年最后一次直接面对面作战。从这次战争中，我们可看出，刘备在长年奔波后，气候已成，“天下英雄，惟使君与操耳”的预言，果然应验。
从和孙权的合肥之战，到汉中之役，曹操似乎丧失了早年作战硬拼到底的锐气，或许他的心中已看出“统一无望”，天下三分鼎立已是不可避免之势了。
取得汉中的同时，刘备命令宜都太守孟达，由秭归北攻房陵。孟达在房陵攻陷后，斩杀太守蒯祺，并且再北上，进兵上庸。
刘备担心孟达有失，派出义子中郎将刘封，自汉中乘船从沔水顺流而下，会同孟达进攻上庸。曹操任命的上庸太守申耽弃郡投降，并遣送妻子及宗族至成都为人质。刘备加封申耽为征北将军，仍领上庸太守，并以申耽之弟申仪为建信将军，领西城太守。刘封则以副军将军留守上庸，以为汉中东南之屏障。
秋七月，刘备自立为汉中王，正式统辖荆州的绝大部分和益州之全部（包括汉中）。