建安二十三年（218年），张飞屯兵固山，做出要截断曹洪后方的样子，但被曹休识破。曹洪在曹休的建议下，趁蜀军兵力尚未集结之时袭击吴兰，雷铜、吴兰等战死，马超、张飞于是退走。

刘备又派遣将领陈式去攻打马鸣阁道，打算断绝汉中与许都的联系，但被徐晃击败，死伤甚多。

七月，刘备亲自率军停留在阳平关，与夏侯渊、张郃相拒。曹操在许都治兵，准备救援汉中。九月，曹操率军抵达长安。

建安二十四年（219年），刘备从阳平关，南渡沔水，于定军山扎营，夏侯渊率军来抢定军山。

刘备派军趁夜火烧夏侯渊军队的外围鹿角。夏侯渊派张郃守东围鹿角，自己率兵守南围鹿角。刘备调一万多兵马分为十部，猛攻张郃，张郃亲身搏战，刘备一时难以攻克。夏侯渊分兵去救援张郃。刘备派黄忠攻打南围鹿角。此时的南围鹿角，夏侯渊正在率领400曹军精兵修复鹿角，黄忠乘着地势高，鼓噪大喊，一战就将夏侯渊斩杀在南围鹿角。黄忠又趁机攻向十五里之外的夏侯渊军营，夏侯渊军队因为丧失了主帅而迅速溃败。益州刺史赵颙等，也被黄忠军斩杀。黄忠因此升迁为征西将军。

夏侯渊战死后，汉中曹军惶恐不安，司马郭淮、督军杜袭等推举荡寇将军张郃暂时统领汉中诸军，以安众心。张郃率军驻守阳平关。

刘备军在攻克夏侯渊后，打算渡汉水来攻郭淮，郭淮部下见己方兵力过少，难以匹敌，建议郭淮可依汉水结阵。但郭淮却认为这是示弱，应该远离汉水结阵，趁刘备军半渡时袭击。但刘备见到郭淮的结阵方式，没有渡水。

三月，曹操率领大军抵达汉中地界，进驻阳平关。

刘备踌躇满志，说即使曹操亲自前来，也不能改变什么，自己一定会拥有汉中。刘备在山上扎营，占据险要，固守不战，与曹操对持。

曹操来争汉中，将数千万囊粮草搬运到北山囤积。

刘备派人到成都让诸葛亮调兵来支援，杨洪以汉中是益州咽喉，家门之祸、存亡之机，劝谏诸葛亮在这种时候应该“男子当战，女子当运”。

时任征西将军的黄忠在赵云营内。黄忠见曹操运送了这么多的粮草，于是建议赵云可以去劫取。但曹操的囤粮重地，应该是有重兵把守，为谨慎起见，赵云与黄忠约定期限，然后再让黄忠领兵去劫粮。黄忠逾期未归，赵云率领轻骑前往接应，正与曹军相遇，曹军紧追不舍，直到赵云营前，赵云大开营门，偃旗息鼓，曹军怀疑赵云设有伏兵，引军退走，赵云趁机反击，曹军惊骇，自相践踏，死伤极多。（详见汉水之战）

后来，刘备开始主动出击，派副军中郎将刘封于阳平关前叫阵，曹操大骂刘备常派义子出战，称自己可用黄须儿曹彰来与刘封一战。曹操于是派人去召北中郎将曹彰来援汉中。

五月，曹彰日夜兼程，赶至长安。但曹操已经开始撤离，从汉中回师长安。

汉中之战以刘备的胜利而结束。秋七月，刘备称汉中王。

汉中争夺战从建安二十二年（217年）至建安二十四年（219年）五月，持续了将近两年之久。刘备方阵亡吴兰、雷铜、任夔等，曹操方阵亡征西将军夏侯渊、益州刺史赵颙等。

曹操方将领代理校尉王平投降刘备。

曹操撤退时，在汉中可控制的范围内将百姓迁走。

刘备占领汉中全境后，派遣副军中郎将刘封、宜都太守孟达乘胜攻取了东三郡（魏兴、上庸、新城）。

汉中之战，曹刘双方都投入了非常多的战力，刘备方参战将领张飞、马超、赵云、黄忠等，曹操方参战将领夏侯渊、曹休、曹真、张郃、徐晃、郭淮等，都是三国时期的名将，可谓是一场势均力敌的战争。然而这场持续了将近两年之久的战争，史书上却交待非常少，历代也少有对这场战争的战术评价。

诸葛亮曾说：“及至孟德，以其谲胜之力，举数十万之师，救张郃于阳平，势穷虑悔，仅能自脱，辱其锋锐之众，遂丧汉中之地。”司马懿也曾说：“昔武皇帝再入汉中，几至大败。”

而曹操从建安二十三年（218年）七月开始治兵，到建安二十四年（219年）三月抵达汉中，准备时间长达半年有余，但在汉中与刘备僵持了仅仅两个月就撤出汉中，汉中之战中发生的汉水之战被认为是曹操速败的原因，后世史家治史时对汉中之战的记载多为曹操被赵云所击败。如，南宋朱熹撰《资治通鉴纲目》：三月，魏王操出斜谷，刘备将赵云击其军，败之；元胡一桂撰《十七史纂古今通要》：赵云大败操兵，操引还长安，帝遂有汉中，自称汉中王；元赵居信撰《蜀汉本末》：三月，操出斜谷。将军赵云击其军，败之。夏五月，操引还，昭烈遂取汉中；明章如愚撰《群书考索》：赵云将数千骑大破魏兵，备遂有汉中。

曹刘争夺汉中所投入的兵力难以考证。刘备在攻打张郃营时，投入了精兵一万多，但在整个汉中之战中刘备投入的总兵力却没有记载；曹操方面，建安二十二年（217年），陈琳发布《檄吴将校部曲文》宣称夏侯渊镇守汉中有五万精兵，以及一些少数民族军队，《诸葛亮集》里说曹操亲自来争汉中带了有几十万兵力。双方的兵力损失更是没有记载。