汉中盆地乃益州除成都平原外，最富庶的地区，为五斗米道张鲁这政教合一的政权雄据三十余年。周瑜曾欲“取蜀而并张鲁”、孙权为尽早把刘备赶出荊州而愿助刘备取蜀曰：“今欲先攻取璋，进讨张鲁，首尾相连”；诸葛亮曾问杨洪应否继续增兵，杨洪则回应：“若无汉中，则无蜀矣，此家门之祸也。”可见汉中地势虽险，仍是三家必争之地，何况刘备此时已代刘璋。魏国已建的曹操只好抢先一步，终在建安二十年（215年）三月，亲征张鲁。
曹操兵出陈仓，先遣张郃、朱灵至武都，攻破“塞道”的氐人。四月，曹操向西南过散关入河池，又遇上兴和氐王窦茂，率万余人持险拒守，五月攻下。受制于崎岖山路和脆弱的补给线（见《三国志．刘晔传》），历尽艰辛，七月才至阳平关。
怎料眼前哪里是凉州从事和武都降人口中的“张鲁易攻，阳平城下南北山相远，不可守也”（见《三国志．张鲁传》注引《魏名臣奏》），等待他的是张卫率众数万人据关坚守（注10），“横山筑城十余里”。曹操当时已叹了一句：“他人商度，少如人意。”但事已至此只好硬著头皮强攻，但当然沒有好下场，伤亡不小。曹操将退军时居然发生了奇事，前军夜中迷路误闯敌营，此事连久征沙场的夏侯惇也不信，亲自验证后才上报曹操。幸运女神眷顾下曹操把握战机，密遣兵夜袭，斩杨任，张卫逃。本欲降的张鲁为阎圃所劝，这时投降功必轻，投奔至朴胡等教众地（注11），再稍作抵降，功才多。同月，曹军顺利进入汉中郡治南郑。十一月，张鲁降，曹操待以客礼，封阆中侯，邑万戶；其五子皆列侯。十二月，曹操自南郑还，留夏侯渊等屯汉中。
从征的徐晃受命別征椟、仇池（河池以西）诸山氐，结果如前述所引《魏略》总结，这些余部只好投降，因功升为平寇将军。徐晃此战的目的，有可能是解除仇池余众对补给线的威胁；也可能和同样讨叛氐的张既一样，收其麦以给军食，毕竟曹军“军食颇乏”。陈群谏曹真从斜谷伐蜀就是沿引此事为戒：“太祖昔到阳平攻张鲁，多收豆麦以益军粮，张鲁未下而食犹乏。”两人打的还可能是同一批叛氐，因为杨千万曾受魏封为百顷氐王。
任乃强先生在《华阳国志校补图注．汉中志》武都郡条中“魏将夏侯渊、张郃、徐晃征伐，常由此郡”一句中认为：“陈福等三十余屯，盖武都民军助张鲁，于氐王窦茂败死后，犹聚众围攻操所派郡守张顺者。晃攻仇池诸山还，击破之也。”不过张顺应该还是将军，因时任武都太守为苏则，并充当曹操响导。张鲁败后受命绥定下辩诸氐，经河西才徒为金城太守。
不过徐晃在汉中之战的功劳应不止本传所记，《夏侯渊传》在汉中平至太祖还邺之间有一句：“以渊行都护将军，督张郃、徐晃等平巴郡。”巴郡这地名实指三酋实际控制的地盘，而不是指占有刘备之地，这和张郃日后的別降巴东、巴西二郡一样，不是指张郃已占江关都尉（或固陵郡）和赶走太守为巴西的张飞（注12）。
七月陷南郑、十二月曹操还邺，这段巴郡地为曹操所拥有的时间，应该是指九月巴郡三酋率巴夷、賨民（即板楯蛮）归附，曹操分巴郡让他们各为太守，管理自民。所以夏侯渊等人之功是进攻三酋加速其降，达至巴郡平。
陈寿在张鲁降、汉中平的用词上，要特別注意，《张郃传》是最好的解释：“至阳平，鲁降”。陈寿其实视张鲁在七月、阳平关失守时已降，十一月正式投降只是为自己争取最大利益。认为张鲁七月已降的还有范晔（见《孝献帝纪》）和袁宏（见《后汉纪》卷30）。
曹军不是在十一月才至阳平；张鲁也是在阳平陷后才奔至巴中降。何况《武帝纪》所写的“巴、汉皆降，复汉宁郡为汉中”，实际上至少等同汉中平。郡治南郑已得、再分汉中属县置西城和上庸两郡，难道不是已有汉中郡的明证吗？所以《夏侯渊传》中的“会鲁降，汉中平”，时间实为七月。当然，《刘晔传》才是最正确的写法：“鲁奔走，汉中遂平。”
不过这些巴东、巴西、巴郡太守与魏、吴两个江夏太守一样，并不代表曹操拿下原巴郡全境。巴郡治江州，三酋从沒占领，否则张飞入蜀时，严颜守在哪里？《后汉书．刘焉传》所言的“故以羲为巴郡太守。鲁因袭取之，遂雄于巴、汉”不是事实，《三国志．刘璋传》和《华阳国志．刘二牧志》皆只云“御鲁”，并沒有巴郡失陷一事。
三酋辖境应如任乃强先生在《汉中志》分析：“杜濩名最大，所居在墊江界，今广安与渠县界间之賨王城是也（杜为墊江大姓）。朴胡所居在阆中界，今巴中县之平梁城是也。朴胡名虽次于杜濩，居地与汉中最近，故其后张鲁奔就之。且使胡先试降于操，得许封号后，乃送鲁出。范目所率以助汉王定三秦之七姓，即有朴氏……袁约所居疑在朐忍县界，故近年农民于开县耕地中得汉賨邑侯金印（曹操所颁给三賨王印）。”
自从刘备得益州后，与孙权的矛盾日益严重，最终鬧至孙权袭取长沙、桂阳、零陵三郡。刘备当然也不会罢休，从蜀率兵五万，加上关羽的三万兵与孙权大干一场之际，突然传出曹操陷阳平的消息，刘备只好接受既成事实，割地予孙权好能急急回蜀（实际上收回失地零陵）；孙权也可以在八月率十万征合肥，只是被张辽弄至酸溜溜的离开。
另一边厢曹操留下：“人苦无足，得陇，复望蜀邪！”不接纳刘晔和司马懿的乘胜追击之议，回邺。刘备则接纳黄权之议先攻取曹操的三巴；张郃也要救援已降的三酋，二张巴西之战就这样发生。张郃与万余精兵的张飞对峙了五十余天后，终为张飞从他道邀击，不敌大败。汉中争夺战的前哨战就这样落幕。
法正认为曹操不顺势取巴、蜀，而只留夏侯渊、张郃守而自行北归。建议刘备广农积谷，观衅伺隙，夺取汉中。建安二十二年（217年）冬，遣深得羌胡心的马超，以及猛将张飞等攻武都；明年亲率大军攻汉中，兵分两路进击。曹操的应对是夏侯渊等留守阳平关，遣曹洪、曹休在武都抵御。曹操对曹休说你虽参军，其实为帅，曹洪得知此令后也委事予曹休。
马超他们当时已从沮道出，占领武都郡郡治下辩，氐王雷定也以七部万余落响应，张飞屯固山欲断曹军之后。曹休却看破玄机，欲断人之后路理应潜行，绝无张扬之理，所以更应在刘军实行前逐个击破。曹休率军破吴兰（逃亡时为阴平氐强端所杀，传其首）、斩雷铜和任夔；建安二十三年三月，张飞和马超被逼败退，侧翼的武都结束战事。
焦点回到主战场，刘备亲率大军攻阳平关，为夏侯渊和徐晃拒守，张郃则屯广石以为掎角之势。阳平关是进攻者的恶梦、防守方的幸福，刘备的情况正如同当年的曹操。曹方当然不可能还沒补救上次的漏洞，那刘备只好另觅方法，遣陈式等十余营绝马鸣阁道，欲把曹军分成两截，断曹军退路。
马鸣阁道所在地，暂时有两个主流看法：指关城到安乐河口（今四川广元朝天镇）的嘉陵江栈道，即《中国战争史》和谭其骧主编的《中国历史地图集》的说法；指白水到葭萌的白龙江栈道，查四川省政府网站的三国遗迹介绍。不过无论在哪里，刘备的企图就是如曹操的《假徐晃节令》所讲：“刘备欲断绝外內，以取汉中。”
徐晃火速领別军反击，陈式不敌，自投山谷者多。曹操得知甚喜，除赞徐晃：“克夺贼计，善之善者也”外，还假徐晃节。假节的对镇一方之长的重要性见前述。另据《晋书•；职官志》总结，假节唯军事得杀犯军令者，因此假节不但有发兵自主权，还可看成权力的象征之一。钟会就是凭假节，杀掉犯军法的功勋许褚之子、牙门将许仪。不过曹操时期，节可沒像日后分假节、持节、使持节三个权力等级，《魏公卿将军上尊号奏》（见《全三国文》卷28引碑本《隶释》19）记一众魏将都是使持节，包括徐晃在內。
刘备除了写信给诸葛亮，要求从蜀中增兵外，面对交战一年多的曹军，终于改变策略。建安二十四年正月，率军南渡汉水，缘山稍前，在定军山扎营。曹军也出阵保护这汉中屏障。刘备打算声东击西，把精兵万余分成十部，夜袭东围的张郃。情况危急逼至张郃亲率精兵搏战，夏侯渊见状派一半兵力救援。
刘备见时机成熟，就让已占高地的黄忠一鼓作气攻击南围的夏侯渊。夏侯渊这个主帅也太恃勇，据曹操事后以此诫全军的《军策令》所述，他居然只领兵四百，到大营十五里外的走马谷……修补黄忠军所烧坏的鹿角（见《太平御览》卷337）！就这样寡不敌众为黄忠军所杀，同时被杀的还有曹操署的益州刺史赵颙。主帅意外身亡，曹军军心动摇，至此情况急转直下。张郃无奈只好弃守定军山，退回汉水札营。
渊司马郭淮和杜袭只好推举一个新帅来稳定军心，从定军山退回的曹军中，资历最高的就是张郃，且他也多次为夏侯渊先锋，这为刘备所惮的国家名将是合适的人选，诸将也皆受节度。最原始的史料（《资治通鉴》不是）并沒有交代徐晃，在二十三年哪一季破陈式，再加上马鸣阁所在暂时还沒有主流意见，实在无法判断出徐晃当时是否必定在阳平；相反，若徐晃在，就是军中普遍认为张郃的军事才能较徐晃为高，至少还有刘备认为张郃实为魁，所以不推举有节的徐晃。
此时刘备欲渡水追击，郭淮建议稍退以便半渡而击之，刘备见阵后狐疑，决定不渡河。在后方长安的曹操，除急授张郃所欠缺的指挥权力象征───假节（注13），以示同意他接任主帅外，还派曾参与武都之战的曹真增援，让其督徐晃等在阳平破刘备将高详。
从刘备出兵开始，一众不服曹操的势力都乘时而起，让曹操无法马上急援：二十三年正月耿纪、吉邈等欲引关羽为援，攻督许中事的丞相长史王必，曹操被迫处理后事；四月，代郡、上谷乌桓无臣氐（或作能臣氐）等反，曹操遣子曹彰平乱。曹彰虽勇但始终是第一次为帅，父亲担心儿子，故暂时不进以便随时再增援也无不可。因为无臣氐暗结鲜卑扶罗韩，他也率万余骑至响应。扶罗韩沒起兵只是此时为柯比能所杀（见《三国志．鲜卑传》）。轲比能倒也不是臣属于曹操才杀扶罗韩，只是想看定情形，所以当曹彰追击大破无臣氐后，在边疆拥众数万的他才暂时请服；曹操在七月才出发，九月至长安。十月又遇上宛城守将侯音反，聚众数千，南连关羽，太守东里衮一度被挟持，屯樊的曹仁在明年正月才讨平。侯音被讨斩后，此时夏侯渊阵亡的消息才传至曹操耳中。
三月，出斜谷的曹操至汉中。但这时纵然是曹操亲至也无能为力，刘备占据高地拒守，曹军进击无效，伤亡和逃兵不少。期间还发生了一件至今仍有争议的《云別传》的记录：赵云伏兵于营射击，导致曹军伤亡众多。但这事与黄忠斩夏侯渊成为汉中之战的转捩点不同，有用人之明的刘备，事后和称汉中王时都沒有升迁或进爵赵云，可见并沒有造成曹军重创，否则完全无法理解为何这样冷待大功臣。
日后诸葛亮北伐最大的制约───关中至汉中的补给线也在困扰身体已不太好的曹操（曹操明年正月死），曹操也曾数言“南郑直为天狱中，斜谷道为五百里石穴耳”（见《三国志．刘放传附孙资传》注引《资別传》），碍于形势叹了“鸡肋”二字后，准备自行退兵。
从军事角度考虑，把武都氐五万余落迁出（见《张既传》），连同之前早已迁从汉中迁出八万余口（见《三国志．杜袭传》），这就是西晋江统所讲的：“后因拔弃汉中，遂徙武都之种于秦川，欲以弱寇强国，扞御蜀虏。”刘备也果如周群所占：“当得其地，不得其民也。”
五月还长安，留曹洪、曹真、张郃等屯陈仓，把防线退后至陈仓一线。刘备遣孟达从秭归北攻房陵，太守蒯祺被杀。又遣养子刘封自汉中从汉水下，督孟达、合攻上庸，太守申耽举郡降。刘备仍让其为太守，另以耽弟申仪为西城太守。
原汉中郡全境都为刘备尽有，但不代表曹操和刘备之间的战斗暂时告一段落，相反只是影响三家的关键一役───襄、樊之战的序幕。
10．建城治，因即峭岭，周回五里，东临峻谷，杳然百寻。西北二面，连峰接崖，莫究其极。从南为盘道，登陟二里有余。浕水又南迳张鲁治东水西山上，有张天师堂，于今民事之。庾仲雍谓山为白马塞，堂为张鲁治东。对白马城，一名阳平关。《水经注疏．沔水上》
11．秦并天下，以为黔中郡，薄赋敛之，口岁出钱四十。巴人呼赋为賨，因谓之賨人焉。及汉高祖为汉王，募賨人平定三秦。既而求还乡里，高祖以其功，复同丰、沛，不供赋税，更名其地为巴郡……俗性剽勇……汉末，张鲁居汉中，以鬼道教百姓，賨人敬信巫觋，多往奉之。《晋书．李特载记》
12．巴东郡，先主入益州，改为江关都尉。建安二十一年，以朐忍、鱼复、汉丰、羊渠，及宜都之巫、北井六县为固陵郡。武陵康立为太守，治故陵溪会。《华阳国志校补图注．巴志》
鱼复，江关，都尉治。《汉书．地理上》巴郡条
刘备得益州后改为江关都尉，即当时刘备沒有巴东郡这名字。不论治在故陵还是鱼复，张郃也不可能兵锋至白帝一带，；张飞这个巴西太守，在曹操得汉中后，也从沒兵败，被赶出巴西境。
13．正如前引陶新华先生在《汉代的发兵制度》中的总结：“东汉末年将军假节的这些特征体现出节的发兵功能与指挥功能的结合。”实际案例有田豫：
田豫虽为乌丸校尉而被同时持节，以示代表朝廷，但他调任汝南太守后，节也同时不获授予，否则也不用再重新假节；一个豫州的汝南太守、殄夷这杂号将军督诸青州郡太守、将军，压根是名不正言不顺，但被重新假节后就有这个指挥权。哪怕日后空地待贼，还是诸将欲追击，田豫都能对诸将说不，权力来源就是假节。