刘备在荆州做出重大让步，这个损失要从别的地方找回来。
对刘备来说，最近几年格外顺利，一切都是在按照诸葛亮在隆中设计的规划实施的，在这份规划里诸葛亮提出两路出击北方的设想，一路是荆州，一路是益州，只有这样才能取得成功，刘备对此越来越深信不疑。
要从益州进攻北方，汉中就是关键所在，现在曹操提前下手取了汉中，这是一个麻烦，所以汉中必须夺过来。除了诸葛亮，法正也建议夺取汉中，他进行了详细的分析：“曹操一举收服张鲁，占有汉中，没有借此势头进图巴、蜀，只是留下夏侯渊、张郃屯守，自己率军北还，这并不是他战略目光短浅，也不是他力量有所不及，必然是他的内部出现了问题。现在看，以夏侯渊、张郃的才略还无法胜任帅才，如果率大军前往征讨，必能攻克。攻克汉中后，在那里发展农业，积蓄粮谷，然后寻找机会，上可以彻底打败敌人，重振汉室；中可以蚕食曹魏的雍州、凉州，广泛开拓境土；下可以固守于要害，与敌人展开持久战。这正是机不可失，时不再来呀！”
这段时间诸葛亮的主要精力都放在协调内部事务上，又承担着左将军府的日常工作，具体用兵方略方面法正反倒考虑得比较多。
法正认为汉中不仅要取，而且要快，现在正是出兵汉中的好机会。刘备虽然也认同这个意见，但出兵汉中毕竟是件大事，赤壁之战后他与曹操尽量避免直接冲突，因而获得了难得的发展机遇，如果出兵汉中的话，就要直接跟曹操过招，胜算有多少，刘备心里没底。
但法正说得对，机不可失，时不再来，有情报显示曹操那边的确被一些内部的“忧偪”缠身，分不出更多精力来，这正是用兵的好时机。
建安二十三（218）春天，经过准备，刘备正式出兵汉中。
刘备命诸葛亮留守成都，负责后勤供应和补充兵员，自己率主力北上。刘备把大军分成东、西两路：东路由自己率领，包括法正、赵云、黄忠、魏延等部，由成都北上直取汉中；西路由张飞率领，包括吴兰、雷铜等部，向西攻击汉中的侧翼，目标是曹军在汉中以西的重镇下辩。
下辩在今甘肃省成县一带，是汉中郡的西邻，属曹魏雍州刺史部的武都郡，那一带有羌人聚居，考虑到马超在羌人中有很大影响力，刘备让马超随张飞行动。负责镇守汉中的夏侯渊得到消息后，赶紧向远在邺城的曹操报告，曹操派曹洪、曹休率一支人马增援。刘备的西路军抢先占领了下辩，曹洪、曹休率军赶到，把他们围了起来。
在“诸夏侯曹”里曹洪的资历比较老，早在官渡之战前他就已经是厉锋将军了，后升任都护将军，相当于兵团司令。曹休是曹家的下一代，之前长期在虎豹骑任职，资历差得多，此次才被曹操提拔为骑都尉，同时担任曹洪的参军。曹操对这个侄子很信任，对他说：“你名义上是参军，实际上是统帅。”
这是要越级指挥了，是兵家大忌，怎么看这话都不像曹操说的。但分析一下也许是真的，曹操此时已经开始着手培养曹氏下一代，曹丕、曹植、曹彰、曹休、曹真等人大约都20岁，曹氏的基业要绵延常青还得靠他们。反观曹洪，近20年来基本没有太大作为，史书提到他都是说他如何富贵、如何有钱，现在的曹洪已经不是之前那个能打能拼的曹子廉了。
目前曹仁坐镇襄阳，夏侯渊就在汉中，夏侯惇身体不好，在东南战场的居巢坐镇，也抽不出身来，只有曹洪可以挂这个帅。曹操让曹洪当主将，实际却以曹休为主，并且有意把这件事透露了出去，曹洪得知后，干脆把指挥权交给了曹休。为保险起见，曹操派老成持重的辛毗前去辅助，临行前专门找辛毗谈了一次话，对他说：“过去汉高祖刘邦贪财好色，所以张良、陈平匡正他的过失，现在你跟曹休的担子也不轻啊！”
对曹休来说，终于等来了露脸的机会，这一次得好好表现。曹洪、曹休把吴兰围在了下辩，刘备派张飞屯驻于固山，扬言要断曹军的后路，如何应对，大家有争论，有人认为应进攻固山，以防止大军的后路被切断，曹休反对：“敌人如果真想断我方后路，肯定会悄悄进行，现在这么大张旗鼓地要断我们的后路，中间肯定有文章。我们应该别管这个，趁他们人马没有集齐之际抓紧攻打吴兰，吴兰一破，张飞肯定会撤兵。”
曹洪全听曹休的，下令全军猛攻下辩。
还真让曹休料对了，张飞屯兵固山的目的确实是想让曹军分兵，以解吴兰之围，曹军猛攻下辩，吴兰、雷铜被打败，部将任夔被杀，吴兰、雷铜逃出下辩后被氐人部落首领抓住也给杀了，将首级送到了曹营。
以上是汉中之战前发生的武都之战，刘备所部大败。
为庆祝胜利，曹洪命令大摆酒宴，席间还让歌伎穿着暴露的衣服蹋鼓而舞，众将嘻嘻哈哈，很不严肃。
曹操一向治军很严，曹军中怎么会有歌伎呢？曹洪这个人不仅贪财，而且好色，家里养有歌伎，仗着资格老没人敢管，外出打仗也带上，曹操也知道这些，所以才会给辛毗交代任务时专门提到了贪财好色的刘邦。
辛毗应该也在座，但他大概想了想没敢吱声。不过还是有人看不下去，这就是武都郡太守杨阜，本地的父母官，杨阜当众斥责道：“男女之别是国家的大节，怎么能在大庭广众之中暴露女人的身体？即使夏桀、商纣之乱，也不过于此！”杨太守一点都不给面子，一甩袍子，走了。曹洪倒也知趣，赶紧把歌伎们撤下，又让人把杨阜请回来。
虽然是个小插曲，却说明了一个大问题，曹军初创时的那种能吃苦、敢拼命的精神正在悄悄散去，随着事业越做越大，大部分人都升了官，不少将领还封了侯，有了食邑，享乐之风正在曹军将士中蔓延，这极大地削弱了曹军的战斗力，近年来曹军战绩不佳，这恐怕是一个重要原因。
初战不利，却没能动摇刘备夺取汉中的信心。
刘备率主力很快到达阳平关前，随行的有法正、黄忠、赵云、魏延等，张飞、马超随后也赶来会合，曹操只好决定亲自率军来支援。
建安二十三年（218）7月，曹操率军从邺县出发。前方已经十分吃紧了，但曹操似乎并没有那么紧张，路过弘农郡时，听说献帝刘协的哥哥、弘农王刘辩死后埋在这里，他还想到坟前吊唁，弘农郡本地人、担任黄门侍郎的董遇进谏道：“根据《春秋》大义，即位不满一年就死去的国君还不能称为君，弘农王在位时间很短，又被暴臣董卓挟持，最后降位为藩王，不应该拜谒。”
曹操认为说得有理，才作罢。
9月，曹操率大军到了长安，路上走了两个月，太慢了。这时从合肥方面传来消息，右将军乐进因病去世，曹操听后十分难过。乐进从曹操己吾起兵时就跟随他，算是曹家军的创始人之一。这个小个子从曹操身边的帐下吏干起，最终成长为曹军的高级将领，他作战勇敢，有谋略，是一个难得的素质全面的大将。曹操下令追赠乐进谥号为威侯，爵位由其子乐继承，乐后来官至扬州刺史。
曹操又在长安停留了一段时间，大概有两三个月时间，原因不详，但对前方的战局却产生了重要影响。
阳平关外，刘备率部多次发起进攻。
在夏侯渊的指挥下，曹军展开阻击，依托有利地势打退了敌人的进攻。但到了次年的正月，刘备所部终于有了收获，前锋越过了阳平关。
汉中的核心地带是一块由汉水河谷扩展开的盆地，四周都是高山，重要的城镇几乎都在汉水两岸。阳平关是这块盆地的西大门，它坐落于汉水之上，从阳平关沿着汉中往前，可以到达汉中郡的中心城市南郑，但在到达那里之前还会遇到一处屏障，就是定军山。
定军山位于汉水之南，今陕西省勉县城南十多里处，属大巴山脉，与汉中盆地周边的深山大川相比，它海拔并不是很高，主脉是由十二座东西绵延的山峰组成，总长二十多里，其最高处海拔不过800多米，由此再往东，就是平川了。也就是说，定军山虽然是一道屏障，但却并不是特别险要，刘备率军攻到这里，曹军就危险了。
夏侯渊急忙来抢，双方展开激战。
刘备发动夜袭，烧了曹军营垒的鹿角，这时候夏侯渊驻守在西边的营寨，张郃驻守东边的营寨，刘备集中力量攻击张郃，张郃有点顶不住了，夏侯渊把自己这边的守军分出一半增援张郃，可这样一来就出大事了。
夏侯渊是亲自率兵来增援张郃的，法正看到后，觉得机不可失，建议刘备猛攻，不惜一切代价直取夏侯渊。刘备命黄忠担任主攻，咬住夏侯渊的增援部队不放，一阵猛打猛冲，曹军大败，征西将军、博昌侯夏侯渊居然战死沙场，一同战死的还有曹操任命的益州刺史赵颙。
定军山之战，一代名将夏侯渊丧命，但也成就了另一位名将黄忠的大名，同时也让刘备的军师法正名扬天下。曹操后来听说了定军山之战的全过程后就记住了法正的名字，曹操认为刘备没有这两下子，一定是有高手在旁边辅助。看来在曹操的心目中刘备还是那个在走投无路时投靠在他的门下，又多次被他打得落荒而逃的人，但那是老眼光了，刘备显然已今非昔比，他已经从寄人篱下、看人眼色的流浪者，迅速成长为足以与自己并驾齐驱的猛角色。
曹操以前告诫夏侯渊说“做大将的也有示弱的时候，不能一味恃强斗狠。为将者应该以勇为本，以智取胜，有勇无谋只不过是一介匹夫罢了”，夏侯渊战死印证了曹操的话。对这场战斗，曹操后来专门颁布了一篇军令，其中说：“敌人烧毁了曹军的鹿角，但这些鹿角离大营有15里，夏侯渊居然独自带着400名士兵去修补鹿角，敌人在山上看到了，于是从山谷中杀出，夏侯渊亲自参加战斗，最后战死。”
曹操认为夏侯渊在此战中犯了指挥上的错误，像夏侯渊这样担负整个战场指挥重任的大将不应该亲自参与战斗，更何况是修补鹿角这样的小事。在这篇军令里，曹操甚至说出了重话，称夏侯渊本来不擅长带兵，军中呼之为“白地将军”。
古时把那些没有种植开垦的土地叫作白地，也把像沙漠一类不能长植物的土地叫作白地，拿这个作为夏侯渊的外号，是说他作为大将连最基本的作战常识都没有。但回顾夏侯渊一生的战绩，也打过很多胜仗，这个评价未免太偏颇，这说明曹操对定军山一战特别耿耿于怀，夏侯渊虽然战死，曹操仍不能原谅他。
夏侯渊与曹操关系密切，他的妻子是曹操的“内妹”，也就是曹操妻子的妹妹，这个妻子不大可能是卞氏，有可能是曹操之前的妻子丁氏或刘氏。夏侯渊有7个儿子，依次是夏侯衡、夏侯霸、夏侯称、夏侯威、夏侯荣、夏侯惠、夏侯和，其中长子夏侯衡娶了曹操的侄女，这兄弟几个在今后曹魏政坛上仍然是活跃人物。