在三国鼎立的局势中，汉中是蜀、魏接壤的战略要地，但在地理位置和风俗民情上近蜀而远魏，因而归蜀易而归魏难。那时，曹操虽迅速平定汉中，抢在刘备之前，却进退两难了。刘备当时在成都立足未稳，无力来争，但是一旦安定，从曹操手中夺取汉中则势在必行。

这一点，刘备的谋主之一、关中郡县人、蜀郡太守法正看得一清二楚。建安二十二年(217年)，法正见时机成熟，便为刘备分析形势，指出曹操轻取汉中却不乘胜进攻巴蜀，反而留夏侯渊、张合屯守，主力北还，这不是曹操愚蠢，而是实力不足，离邺城太远，有内顾之忧所致。现观渊、合才略，不胜蜀中将帅，如果举兵征讨，必可攻克。占据汉中后，可充分利用当地的富庶，广积粮谷，伺机而动。这样上可以扫平天下，收复汉室，中可以蚕食雍、凉2州，广拓疆土，下可以凭险固守，作持久之计。他力劝刘备不要失掉天赐良机。

这一番透彻的议论，正合刘备之意。于是刘备调兵遣将，亲征汉中，法正随行，运筹帷幄。

刘备先令张飞、马超、吴兰诸将屯兵下辩(甘肃成县西)。曹操派遣曹洪抵御。次年，曹洪击败吴兰，张飞、马超撤退。吴兰被阴平(甘肃文县西)氐人首领强端斩杀，献首曹军。刘备大怒，与张飞、马超会合，亲率主力进逼阳平关。

汉中曹军将帅夏侯渊、徐晃、张合分头据关固守。刘备先派陈式断绝马鸣阁道，遭徐晃反击；又自攻广石的张合，久不能克。双方长期对峙，刘备紧急向成都要援兵。诸葛亮询问杨洪，杨洪说：“汉中是益州的咽喉，存亡相依，如无汉中，就等于无蜀，这是家门口的祸福。方今之事，男子当战，女子当运，发兵何疑?”七月，曹操亲领大军再次西征，增援汉中。九月，曹操坐镇长安。

建安二十四年(219年)春，刘备得到诸葛亮派来的援兵，便按法正的精心谋划，自南平渡沔水，抢占战略要地定军山。定军山位于汉中勉县东南5公里处，沿汉江东西绵亘耸立着12座山峰，山峦叠嶂，气势雄浑。它隔江与天荡山对峙，形成天险。

刘备预先让勇毅冠三军的老将黄忠，在天荡山下和定军山西峰仰天窝依山势扎营，作为伏兵。他亲率精卒万人，星夜急攻驻屯在广石的张合。张合率亲兵搏战，刘备转而在走马谷火烧都围，诱迫曹军统帅夏侯渊来救。

只知恃勇的夏侯渊果然中计，急切来争。他率轻骑驰援，途经定军山，遭到刘备拦击。正当两军酣战之际，法正说：“可以出击了。”黄忠便率伏兵突然从西峰居高临下冲出来，将夏侯渊团团围在山下干坦处(今称武侯坪)。夏侯渊虽然兵马精锐，顽强抵抗，但黄忠更勇，率众短兵接刃。蜀军士气高昂，金鼓振天，欢声动谷。

黄忠在激战中，手起刀落，将夏侯渊斩于马下；随军的曹操委任的益州刺史赵颐也阵亡，曹军大败。现在，定军山武侯坪有一斩将桥，据说是当年夏侯渊被杀之处。隔江的天荡山天灯寺前有一巨石，相传是黄忠得胜回营时下马的踏脚石。还有黄忠插旗山等古迹。

张合退至阳平关，与汉中曹军合为一处。当时，三军失帅，军心动摇。督军杜袭与司马郭淮对众将说：“张将军是国家名将，刘备惮畏；今日事急，非张将军不能安定军心。”于是大家推举张合为帅。张合重整曹军，一一布署。各营将领全都接受号令，众心才得到安定。

当刘备乘胜追击，要渡汉水时，汉中曹将主张依水为阵抵抗。但郭淮却说：“这是示弱，不足以挫敌。不如远水列阵，引诱敌军半渡，然后攻击，可破刘备。”张合采纳。刘备见曹军远离汉水，心中生疑，未敢轻率渡河。

曹操损兵折将，打听到是法正为刘备出谋划策，便叹息道：“我本来就知道刘备没有如此眼光和智谋，一定是有人教他。”三月，他亲自率军从长安出发，穿过斜谷，援救汉中。刘备说：“曹公虽来，也无能为力，我必得汉川。”于是敛兵拒险，不与交锋，坐等曹操兵疲自退。

一次，赵云率数十骑出营侦察，与曹军大队遭遇。赵云且战且退，回到营中，敞开大门，偃旗息鼓。魏军疑有埋伏，自动回兵。赵云命士兵击鼓，仅用劲弩射击。魏军大惊，自相践踏，不少坠入汉水淹死。刘备前来视营，称赞赵云：“子龙一身都是胆。”

曹操此来，确实不是要争汉中，而是要接应张合诸军及汉中民撤离汉中，以充实关中。在长安时，他审时度势，就已决定忍痛放弃汉中，但又担心刘备乘胜北攻武都氐人，威胁关中，便向雍州刺史张既问计。张既建议用厚赏劝说武都氐人迁居关中西部。曹操来汉中的同时，便派曹真与张既到武都接应曹洪并迁徙当地氐人5万户到扶风、天水一带。

曹操理智上虽要放弃汉中，感情上却实在不愿认输，内心矛盾，所以在汉中下达的营中口令为“鸡肋”，随行众官都猜不透是什么意思，只有主簿杨修一听就明白了，开始收拾行装。别人吃惊地问他为什么，他回答：“鸡肋，弃之可惜，食之无所得，正好比是汉中?由此猜知魏王要撤军了。”

五月，曹操果然撤兵回到长安，并迁徙汉中民众数万户落籍三辅。他令曹洪、张合诸将把守关中西大门陈仓，严防刘备。十月，自率主力还师洛阳，两个月后就病死了。

刘备唾手而得汉中。接着他又派宜都(湖北宜都)太守孟达北攻房陵(湖北房县)，并遣养子刘封自汉中乘沔水而下与孟达合攻上庸。到了秋天，刘备志满意得，步曹操称魏王的后尘，自称汉中王，凯旋回师成都，委任魏延为都督，镇守汉中。至此，刘备拥有荆、益2州及汉中，势力达到顶峰。