夏侯渊是曹军西线战场的总指挥，相当于元帅级的人物，他猝然战死，曹军上下无不震怖。
惶恐之下，大家都不知道该怎么办。原丞相府长史杜袭此时在汉中任督军，曾在曹丕五官中郎将府担任过门下贼曹的郭淮此时在夏侯渊军中当司马，他们二人收敛散卒，号令全军说：“张郃将军是国之名将，刘备也有所忌惮。现在事情很紧急，非张将军不能主持大事。”
杜袭和郭淮共推张郃为临时统帅，张郃重新调整了部署，安好营寨，大家才稍稍安定下来。刘备指挥人马渡过汉水来攻营，大家都认为此时敌众我寡，士气也不如对手，不如在汉水边修筑工事抵挡，不让敌人渡河。郭淮不同意这种看法，他认为：“这是向敌人示弱的做法，无法挫败敌人。不如在离汉水远一点的地方列阵，诱使敌兵渡河，等他们渡过一半时再突然发起攻击，刘备必然可破。”
张郃采纳郭淮的建议，远远地列阵于汉水北侧，刘备看到果然生疑，不敢渡河。在张郃的主持下曹军暂时稳住了阵脚，避免全线溃败。他们坚守在汉水北岸，等待援军的到来。
曹操意识到汉中已危在旦夕，立即从长安出发赶往汉中。为节省时间，这次他改走褒斜道，这是他第二次走这条路，上次由汉中返回长安时曹操走的就是这里，可能是他想亲自体会一下这著名通道的实际情况，曹操得出的结论是“南郑为天狱”，褒斜道是“五百里石穴耳”，说明这条道路在当时狭窄、深险并且路程漫长。
建安二十四年（219）3月，曹操终于出了褒斜道，到达汉中。
老对手来了，刘备采取先不与其争锋的对策，新获定军山大捷，刘备信心十足，对左右说：“曹操虽然亲自前来，必然会无功而返，我一定能拿下汉中！”在阳平关以东、南郑以西的汉水谷地，双方展开了对攻。
一次，曹军的运粮队从北山下经过，队伍很长，黄忠认为可以袭击一下，把粮食劫过来。汉中是个不大的地方，突然间云集了双方这么多军队，军粮供应将会是个大问题，如果能把对方的军粮劫过来，那对敌人将是双重打击。
刘备派牙门将军赵云跟随黄忠一块劫粮，黄忠先出发，赵云在后，但到了约定时间黄忠仍然未归，赵云率几十名骑兵出了营寨，去接应黄忠。赵云刚一出来就遇到曹军主力，双方展开激战，赵云身边只有几十个人，且战且退，奋力杀出重围。这时赵云发现部将张著负伤被围，赵云又折返回去，杀入重围把张著救了出来，之后杀回自己的营寨。
赵云的营寨已被曹操手下沔阳县长张翼带人占领，张翼闭门拒守，赵云杀了进去，将营寨重新占领，之后把营门打开，偃旗息鼓。曹军到后，看到这种情况怀疑营内有伏兵，不敢攻营，于是撤退。赵云不干，雷鼓震天，用弓弩射击曹军，曹军惊骇不已，自相践踏，还有不少坠入汉水中淹死。这可以称为赵云版的“空营计”，第二天刘备亲自到赵云营中视察，看到前一天的战场，不禁赞叹说“子龙一身都是胆啊”，当天刘备下令在营中摆酒庆贺，一直喝到晚上，刘备军中称赵云为“虎威将军”。
还有一次，双方交战，形势对刘备不利，应该赶紧撤退，可刘备不肯，没有人敢劝。看到矢如雨下，法正急了，一下子挡在刘备身前，刘备喊道：“孝直避箭！”法正不避，对刘备说：“主公您都在亲自用身体挡箭矢，何况小人我呢？”刘备才冷静下来，下令撤退。
刘备屯兵于栖于山上，派养子刘封下来挑战。曹操大怒，骂道：“一个卖鞋子的小儿，居然用养子抗拒你家主人！待唤我家黄须儿来收拾你！”黄须儿就是曹彰，曹操从邺县出发前，派曹彰领兵征服代郡乌桓，当时代郡的乌桓人造反，曹操让曹彰以北中郎将的身份代理骁骑将军，领兵镇压叛乱，现在代郡建边的事已经完结了，曹操还真的让人去唤曹彰来汉中前线，曹彰接到命令后昼夜西行往这里赶来。
双方相持了一个多月，刘备看到无法立即取胜，干脆来了个拒险死守，跟曹操拼消耗。
曹军连失重地，只能在南郑等据点坚守，时间长了后勤供应果然成了问题，由于吃不饱饭，曹军士兵有不少逃跑开小差，还有些投降到敌人那里，让曹操很苦恼。蜀汉后来有一个挺有名的将领叫王平，多次随诸葛亮北伐，他原来是曹军的将领，就是在这个时候投降刘备的。王平字子均，巴西郡宕渠县人，当时巴中部族首领杜濩、朴胡等人投降了曹操，到洛阳拜谒，王平跟着他们一块去的，被曹操提拔为校尉。曹操此次再征汉中，王平随军，但是又投降了刘备，被刘备提拔为裨将军。
眼看短时间内无法取胜，曹操萌生了放弃汉中的打算。一天，有人请示当夜的口令，曹操说了一个“鸡肋”，大家不知道是什么意思，随征的丞相府主簿杨修听到后就开始收拾行李（便自严装），大家很惊讶，问他何故，杨修说：“鸡肋这个东西，扔了怪可惜，吃吧又没什么味道，这就好像是现在的汉中，我因此知道魏王想撤军了。”
杨修的理解是正确的，曹操实在不想把主力部队长期集中在汉中这个大山中的小盆地里，合肥一线的孙权，襄阳一线的关羽，还有北方的公孙氏和乌桓人，哪一个都不让他省心。近一两年来，各地又频频发生叛乱活动，曹操已经有了心力交瘁之感，于是曹操下令从汉中全线撤退。
建安二十四年（219）5月，曹军正式撤往关中，汉中再次易手，这块战略要地在曹操手里前后才不到三年。
曹操和刘备几乎打了一辈子仗，在以往的交锋中总是曹操占上风，汉中之战是他们直接面对面的最后一次交手，这一次刘备却赢了，而且赢得很彻底，不仅拿下了汉中郡，其东边的房陵郡、西城郡和上庸郡三个郡也都收入刘备的囊中。
刘备占领汉中后要派人取这三郡，法正推荐了孟达，刘备于是任命孟达为宜都郡太守，让他率部从秭归出发，进攻房陵郡。孟达是个能干的人，一鼓作气拿下了房陵郡，顺便把郡太守蒯祺杀了。蒯祺，是诸葛亮的姐夫。
刘备派养子刘封从汉中出发，沿汉水南下与孟达会合，刘备特别明确，刘封到了房陵后可以领导孟达。这项决定看来很有问题，因为刘封此时的军职不过是副军中郎将，孟达作为郡太守无论年龄、地位还是功劳都远高于刘封，所以孟达对刘封很不服气，为日后矛盾爆发埋下了伏笔。
有的史书认为，刘备担心对孟达难以控制，才派刘封与他会合，刘备一定会把此去的真正意图告诉刘封，所以刘封才一直不把孟达当回事。
刘封指挥孟达继续攻打上庸郡，上庸郡太守申耽投降，为笼络申耽，刘备拜他为征北将军，这一军职甚至超过了马超，同时还让他兼任上庸郡太守，拜申耽的弟弟申仪为建信将军，兼任西城郡太守。
曹操辛苦经营的汉中、房陵、上庸、西城一线全部落入刘备手中。
汉中之战是曹操、刘备这两个老对手直接指挥的最后一战，汉中大捷成为刘备一生事业的顶点。
此战后，刘备的个人声望达到了空前高度。不仅声望，一下子得到了汉中等四郡，使刘备的势力版图也空前扩张，论地盘和实力刘备已丝毫不逊色于孙权了。至此，说“天下三分”才实至名归。
汉中之战发生在建安二十四年（219），早在三年前曹操就进行了一次重大的政治改革，自称魏王。围绕着这场政治改革有许多复杂的过程，出于条理性的考虑，将其放在后面集中叙述。现在，刘备手下很多人认为曹操可以称魏王，刘备也应该称王，与曹操平起平坐。
按照汉朝的政治制度，天子只有一个，姓刘。下面是“王”，虽然可以有很多，但也必须姓刘。本朝奠基之初，高祖刘邦领着大家杀白马盟誓，异姓不得称王，否则天下人可共诛之。曹操有实力直接称帝，但他没有那么做，只是把高祖定下的规矩改了，当上了“异姓王”。
汉朝的“王”都有封地，称“王国”，在行政规划上一般等同于郡，所以汉朝在州的下面是郡或者国，称“郡国”。曹操称魏王后，也相应地设立了一个“魏国”，只是范围比一般的刘氏王国大得多，包括十个郡，比普通的州都大。
刘备的手里现在大概有三十多个“郡国”，虽然比不上曹操，但比孙权多。而且，曹操姓曹，刘备却姓刘，刘备一向打着“兴复汉室”的旗号，所以他要称王反弹小得多。
刘备综合了各种考虑后，决定称王。曹操从汉中撤走两个月后，即建安二十四年（219）7月，刘备在汉中称汉中王。这项新职务不同于之前的益州牧，既不能表奏，也不能遥拜，刘备使用的方法是“劝进”。在汉中，刘备手下120名重要官员联名向远在许县的汉献帝刘协上了一份奏表，报告汉献帝大家一致推举刘备为汉中王，仍兼任大司马。之后刘备下令在汉中郡沔阳县做坛，该地属今陕西省勉县。
坛成，陈兵列阵，举办了称王仪式，刘备手下重要人物大部分都在汉中，共同见证了这一重要时刻。
仪式上，宣读了准备送呈汉献帝的表奏，之后刘备登坛，拜受汉中王玺绶，戴上王冠。随后，刘备又以汉中王的身份再向汉献帝上了一份奏表，在后面这篇表文里，刘备重申了群下奏表中的内容，强调了自己忧国效忠的想法。两篇奏表都派人送往许县，一同送去的还有当年曹操以汉献帝名义拜刘备为左将军、宜亭侯的印绶。
刘备称王后，立穆夫人为王后，立刘禅为王太子。
穆夫人即吴氏，刘焉的前儿媳、吴懿的妹妹。穆夫人与刘备成婚时间虽不长，却很快为刘备生下了一个儿子，取名刘永。刘备深知立嗣问题异常重大，稍有不慎就有灭国之灾，前车之鉴已多不可数，所以直接明确了长子刘禅的接班人地位。
刘禅这时12岁，他的母亲甘氏已去世多年。刘备任命董允为太子舍人，负责辅导和辅佐刘禅，这个官职虽然品秩不高，但地位重要。
刘备还可以任命“汉中国”的文武百官，包括三公九卿以及侍中、尚书令等。曹操称魏王后没设三公，只设了一个相国，相当于王国的丞相。刘备既没有恢复三公，也没有设置丞相或相国，而是设立了一个太傅，这是一个荣誉性职务，刘备任命的是许靖，论名望和资历也只有他能胜任此职了。
下面的九卿，能考证的只有太常卿赖恭、光禄勋卿黄柱和少府卿王谋，除王谋外他们的事迹都很少，应该跟许靖类似，都是一些有名望却不掌实权的人。
侍中与九卿品秩相同，都属于“部长级”，担任此职务能考证的只有廖立。尚书令品秩虽低于九卿和侍中，但权力很大，相当于“汉中国”的秘书长，刘备任命了法正。
刘备以汉中王的身份任命关羽为前将军，张飞为右将军，马超为左将军，黄忠为后将军。前、后、左、右所谓四方将军在军中地位很高，仅次于大将军、车骑将军、骠骑将军和卫将军，高于四征、四镇将军，相当于大军区司令。
在酝酿这项人事安排时诸葛亮曾有不同意见，他对刘备说：“黄忠的名望一向不如关羽、马超，现在和他们同列，马超、张飞在跟前还好办，目睹了黄忠的功绩，尚可以理解；而关羽不在跟前，他听说了，恐怕不会高兴，是不是再慎重考虑一下？”刘备一向尊重诸葛亮的建议，但这次他坚持自己的看法，他对诸葛亮说：“关羽那边，我自会去做他的工作。”
完成称王仪式，刘备将率主力回成都。
汉中虽是一个郡，但在众人心目中此时跟荆州的重要性不相上下，所以必须挑选一个与关羽旗鼓相当的人镇守这里。众人议论较多的人选是张飞，就连张飞自己都这么认为。但当刘备把留守汉中的正式人选公布后所有人都大吃一惊，刘备选的人不是张飞，也不是黄忠或赵云，他选的是魏延，这个任命太出人意料，军中上下一片惊讶。
魏延此前是牙门将军，虽然升得够快的了，但在军中的地位并不算太高。刘备下令提拔魏延为镇远将军，兼任汉中郡太守，负责汉中一带的军政事务。
曹操用人一向讲究程序，越级提拔是孙权常干的事，现在刘备也出人意料地干了一回。对于刘备做出这个重要决定的深意，历来也备受猜测，有人认为这表明刘备的防范心理很重，提拔新人，是在培养和强化绝对听从于自己的势力。
但也许没有这么复杂，刘备善识人，他了解每个部下的优点和缺点，张飞虽然资历老、威望高，对自己的忠诚更没有问题，但现在要的不是将而是帅，有的人永远是将才而非帅才，同样都很勇敢，同样能打硬仗，张飞或许显得头脑有些简单，而魏延就灵活得多。
刘备也知道提拔魏延有的人心里肯定不服，所以有意力挺。行前，刘备特意召集群下大会，故意当着大家的面问魏延：“如今委你重任，你有什么打算？”魏延很有信心，他气壮山河地回答：“如果曹操倾天下之兵而来，我替大王挡住他；如果曹操只派一般将领带10万人马前来，我替大王吞了他！”
魏延的回答让刘备很满意，立即表示赞许，众人也被魏延的豪言壮语所折服。