曹操闻听刘备军至陇右，急派曹洪、曹休率军攻取下辨。曹洪是曹操的堂弟，曹休是曹操的族侄，二人均为“亲旧肺腑，贵重于时”。特别是曹休，备受曹操宠爱，曹操称他为“吾家千里驹”。此次出兵陇右，曹休虽为骑都尉，参曹洪军事，但曹操却对他说：“汝虽参军，其实帅也。”因此，曹洪虽为主帅，曹休却居于出谋划策的重要地位。当时，刘备将吴兰屯驻下辨，当曹军准备进攻时，在他们的后面固山，却出现了张飞的队伍，看样子是像要切断他们的后路。曹兵立即慌乱起来。曹休对众人说：“张飞要真的打算断我后路，就应该伏兵潜行，不让我们知道。如今他这样大张旗鼓，虚张声势，说明他不能断我后路。我们应乘他们还未集中，迅速进击吴兰。吴兰一破，张飞必然退走。”于是，曹洪下令进攻吴兰。吴兰将任夔被杀，吴兰败走，被阳平氐人强端斩杀。张飞、马超见下辨失守，只好向后撤退。
刘备一路直攻汉中，在阳平关与曹军对峙。为了保证道路的畅通，刘备派大将陈式率十余营兵士驻扎在马鸣阁道。马鸣阁道是蜀中古栈道，在今四川广元北朝天镇附近，沿嘉陵江河谷修建。刘备派兵驻扎于此，一方面保证后方供应，一方面保证退路安全。曹将夏侯渊派大将徐晃率兵袭击陈式，陈式军被打败，士兵纷纷跳入山谷，伤亡惨重。曹操听说后，非常高兴，下令赐徐晃节杖，并说：“此阁道，汉中之险要咽喉也。刘备欲断绝外内，以取汉中。将军一举，克夺贼计，善之善者也。”
刘、曹两军经过激战之后，相持于巴、汉之间。刘备“急书发益州兵”，诸葛亮与从事杨洪商议对策。杨洪说：“汉中则益州咽喉，存亡之机会，若无汉中则无蜀矣，此家门之祸也。方今之事，男子当战，女子当运，发兵何疑！”诸葛亮非常看重杨洪的见识，当即发兵，支援汉中前线。
从建安二十二年刘备出兵汉中到二十三年，双方在汉中僵持了一年多。
建安二十四年春，刘备听从法正的计策，从阳平南渡沔水，沿山路慢慢向前推进，并依定军山势恃险安营。又乘曹军不备，采用夜袭战术，火烧曹营外围鹿角。夏侯渊决定让张邰护东围，自将轻兵护南围。刘备集中优势兵力进攻南围，张邰军失利，夏侯渊又分出一半兵力助张邰。夏侯渊是曹操部下一员虎将，他败昌稀、破雷绪、征氐人、平屠各，屡战屡胜，被曹操誉为“虎步关右，所向无前”的猛将。但曹操也看出了他的致命弱点，即恃勇无谋。他常告诫夏侯渊说：“为将当有怯弱时，不可只依仗勇敢啊！作为一个将领固当以勇为本，但还要有智计。只知任勇，一匹夫敌耳。”夏侯渊并未把曹操的告诫当回事，在与刘备的对峙中，又犯了只知任勇的老毛病。他带了少部兵力，想争夺定军山营地。法正见此情景，对刘备说：“可击矣！”刘备便命黄忠乘高鼓噪攻之，“金鼓振天，欢声动谷”。黄忠居高临下，一马当先，冲入敌阵。夏侯渊措手不及，被黄忠杀死。这一仗，曹兵大败，不但失了主将夏侯渊，连曹操所署的益州刺史赵颙也送了命。
定军山一仗，曹军损失主帅，又恐刘备乘胜进攻，众人慌作一团。夏侯渊的司马郭淮对众人说：“张将军，国家名将，刘备所惮，今日事急，非张将军不能安也。”于是，众人便推张邰为军主。张邰出任主帅之后，勒兵安阵，诸将皆听其号令，众心才安定下来。
虽然有张邰出来收拾残局，但定军山一仗，对刘备争夺汉中之役毕竟是个重要转折。从此，形势开始向有利于刘备的方面转化。
远在邺城的曹操，也无时无刻不对汉中的战况魂牵梦绕。建安二十三年，当他听说刘备已经亲率大军进入汉中时，就要赶往汉中前线亲自坐镇指挥。他深知当初拿下汉中是多么不易，占领汉中的意义是多么重要。用一个通俗的比喻，曹操据有汉中，是一种握着拳头准备打人的姿态；而失掉汉中，则是撅着屁股准备挨打的态势。无论从曹操的个性、志向、抱负哪个方面看，他都不允许汉中得而复失。然而当他正准备离开邺城时，即建安二十三年正月，却发生了太医令吉本与少府耿纪、司直韦晃等人造反的事件。
吉本、耿纪、韦晃都是被曹操所看重的人，特别是耿纪，自少年便有美名，任丞相掾，曹操“甚敬异之，迁侍中，守少府”。但吉本、耿纪等人不满曹操的篡汉野心，秘密联合了金神、韦晃、吉邈、吉穆等人反叛曹操。这次叛乱虽被留许昌的丞相长史王必与颍川典农中郎将严匡联合镇压下去，但对曹操震动很大，他将汉朝的百官召到邺城，问吉邈烧城门时他们在干什么？并让当时救火者站左面，不救火者站在右面。众不不知曹操何意，都以为救火者一定有功，便都站到左边。不料曹操却说：“不救火者非助乱，救火乃实贼也。”下令将救火者全部诛杀。吉本等人的反叛，说明曹操内部并不稳定，而他失去理智的滥杀，更无益于缓和内部矛盾。因此，他对这个事件的善后处理要花更多的精力与时间。
吉本造反事件虽然延缓了曹操西人汉中的时间，但并未动摇他再次进入汉中的决心。这年七月，曹操自认为内部已稳，便准备西征刘备。九月，他到达长安。
就在曹操准备西进时，这年十月，又发生了宛县（治今河南南阳）守将侯音反叛的事件。侯音拘捕了南阳太守，劫掠吏民，占据宛县。由于宛县接近襄阳，那里若出事，则荆州难保，荆州出事，等于向刘备洞开了南门。但是，即使这件大事，也没能动摇曹操人汉中的决心，他只是暂驻长安，静观宛县局势的发展。建安二十四年正月，曹仁平定了宛县侯音之乱，曹操又把西进汉中提上日程。
在曹操内部，一些人也主张先处理好内部事务，力图劝阻曹操人汉中。黄门侍郎刘廙就是其中之一。他给曹操上了一封很长的奏书，书中说：“自从您起兵以来，三十年间，无敌不破，无强不服。如今，您拥有海内之强兵，百胜之军威，但是，孙权仍敢据险而守，刘备也敢与您公开对抗。想想他们的实力，怎能比得上当初袁绍在冀州的精兵，他们的人口，怎比得上袁绍当时的基业？然而，您能灭掉袁绍却不能降服孙、刘，其原因不是我们的智慧和实力不如从前了，而是我们已从计谋周密之人变成了自己搞垮自己的人了。……天下之事有双得，也有双失：形势对我有利而我又能尽力去做，这就是双得；形势对我不利而我还要去做，这就是双失。考虑当前的形势，我们不如根据周边的险要地形，选择要害之地据守，再选天下精兵，布置在各地驻扎，年年对他们进行轮换。这样，您就可以高枕于广厦之内，潜心思考治国大计，广农桑，事节俭，十年之后，定会国富民安。”
然而，刘廙的苦口婆心并没说动曹操，他还是进了汉中，并给刘廙写了一封回信，婉言谢绝了他的意见。
国内局势的不安，臣下的苦苦劝阻，都没挡住曹操的进兵汉中，可见汉中在他心中的位置。看来，曹操是决心在汉中与刘备一争高下了。
建安二十四年三月，曹操自长安率兵经褒斜谷赶往汉中。刘备听说曹操到来，信心十足地说：“曹公虽来，无能为也，我必有汉川矣。”
曹操人汉中，是想反击刘备，保住汉中。然而刘备却敛众据险，不与曹操硬拼。曹操进入汉中，带来数千万囊军粮，储于北山之下。刘备大将黄忠认为可袭取曹操北山军粮，曹军无粮必败退。赵云赞成黄忠之计，并将自己所统之兵拨出一部分随黄忠去北山。按照正常时间，黄忠该事毕归营了，可是仍不见其归来。赵云放心不下，便率数十骑兵轻行出营，接应黄忠。不料没有接到黄忠，却碰到了曹操的前锋部队，两军厮杀起来。赵云寡不敌众，率众且战且退，一直退回自己大营。这时，赵云的副将张翼主张紧闭营门坚守，而赵云人营后，却令大开营门，偃旗息鼓。曹军追到营前，见到这种情形，怀疑赵云有埋伏，便退军回去。赵云见曹兵退却，令士兵擂鼓震天，并让士兵用劲弩猛射曹军。曹军惊骇，自相践踏，有很多人落入汉水而死。第二天，刘备来到赵云大营，见他昨日与曹军作战之处，高兴得称着赵云的字说：“子龙一身都是胆也。”
一个多月过去了。曹操在汉中欲守无险，欲战不能，除了军粮一天天减少，士兵伤亡逐渐增加外，其他一无所获。
时值五月，盛夏的汉中酷热难耐。这里本是个盆地，盆底平坦、宽阔，然而不知为什么，曹操觉得这土地忽然变小了，四面的大山增高了，他有一种被装进盆里的感觉，压抑，憋闷，他甚至对这个地方有些厌恶。
他想起了那些劝他莫入汉中的臣下，想起了刘廙，想起了那封奏书。他重新展开刘廙的奏书，细细地品着书中的两句话：“您能灭掉袁绍却不能降服孙、刘，其原因不是我们的智慧和实力不如从前了，而是我们已从计谋周密之人变成了自己搞垮自己的人了。”“形势对我不利而我还要去做，这就是双失。”几个月前，他曾看过这两句话，却熟视无睹，如今，他好像刚看到似的，觉得新鲜，有理，耐人寻味。
他回忆着近五年来自己所发生的变化：建安十八年五月初十日，被策封为魏公。建安十九年正月，开始“亲耕籍田”，这是天子才可有的行为。十二月，被特许比照天子的规格在仪仗队伍中设置旄头，在宫殿内摆放钟虞。建安二十年九月，被特许可以秉承皇帝旨意封立诸侯，任命郡太守和国相。建安二十一年五月，进爵为魏王。建安二十二年夏四月，被特许设置天子的旌旗，出入也像天子一样专称“警跸”。十月，又特许可以像天子那样在冠帽上悬挂十二条玉珠串，乘坐金根车，并配置五时副车。儿子曹丕也被立为魏王太子。
皇帝所有的一切权力自己都具有了。皇帝所享受的一切特权自己都享受了。所缺者，唯有皇帝的名号而已。
这一切变化，必然要招致一些人的愤恨，这愤恨又不是杀几个人能镇压得住的。想维护汉室、搞垮自己的人大有人在，吉本、耿纪等不就是这样的人吗？这样的人谁能保证今后不会再有了呢？有人想搞垮自己，而自己却跑到远离政治军事斗争中心的汉中，这不真成了“自己搞垮自己的人”了吗？
他又开始琢磨刘廙关于“双失”的理论，越琢磨也觉得有道理。与刘备争夺汉中对自己是不利的。汉中对于关中，地远道险，许多谷道又被张鲁人为破坏，全部修复极难。这就给人力物力的补充带来很大的困难。而刘备方面则不同，由益州入汉中有通畅的道路，他的谋臣诸葛亮亲坐益州，将人力物力及时地补充到刘备军中。想到这里，曹操不禁又想起一件事：
那是曹操还没进入汉中时的事。有一次，他命令赵俨征调一千二百名士兵前往汉中协助戍守。赵俨接受任务后，马上如数征调，并派一个叫殷署的人负责监送。那些被征调的士兵在与家人分别时，个个愁容满面。赵俨越想越觉得这是个不祥之兆，为了防止士兵哗变，他在殷署出发一天之后，又亲自追赶到斜谷口，逐个对士兵进行慰劳，又再三叮嘱殷署小心，然后才离开，借住在雍州刺史张既家里。
然而，赵俨担心的事情还是发生了。殷署所带的一千多名士兵在进入斜谷口约四十多里的地方便发生了动乱，殷署生死不知。赵俨率手下的一百五十名随从火速追上动乱部队，费尽心思，妥善处置，才勉强将部队安定下来。
那次兵乱虽然由于赵俨的努力被平息了，但曹操想起这件事，就联想到镇守汉中军队的士气。汉中远离中原，远离关中，进入汉中的谷道险恶异常，士兵们把进入汉中视为畏途，他们逃亡，动乱，这种士气的部队与刘备争夺汉中，这不是明知不利而为之吗？
正当曹操思量着要不要放弃与刘备的争夺时，又传来一件令他心惊肉跳的事：钟繇所亲信的属下魏讽又在邺城谋反。魏讽字子京，沛人，极具号召力和煽动性，在邺城是一个有名的人物。钟繇对他很欣赏，将他提拔起来。魏讽不满曹操专权，早就暗地结党拉帮。他趁曹操远在汉中之机，又与长乐尉陈祎图谋袭取邺城。起事的日期还没到，陈祎背叛了魏讽，告发了此事。魏太子曹丕捕杀了魏讽，“坐死者数十人”。
魏讽的谋反，使曹操深感有必要进一步巩固自己的地位，不能让别人搞垮自己，更不能自己搞垮自己。
他决心放弃汉中了。而他这不可撼动的决心，却用了一种十分简单地形式加以表达。他只对部下说了两个字：“鸡肋”。众人十分疑惑，不知曹操所指何意。曹操的主簿杨修是个极聪明的人，他见此，便急忙收拾行装，准备撤退。众人都问杨修：“何以知之主公欲撤？”杨修说：“夫鸡肋，弃之如可惜，食之无所得，以比汉中，知王欲还也。”
建安二十四年夏五月，曹操引兵撤出汉中。汉中归刘备所有。
刘备据有汉中和曹操撤出汉中，都有其内部的必然原因。刘备集团上下一心，必欲据汉中以保蜀中安全，又有法正的奇谋妙术，有诸葛亮的后方支援。而曹操争汉中，地理条件对其极为不利，内部不稳，接二连三地发生叛乱，加上他正加紧完成代汉的准备工作，这项最中心的政治任务，不容许他在汉中拖延时日。
对于刘备集团来说，汉中得到了，益州安全了。为了进一步实现“隆中对”提出的战略计划，诸葛亮又策划着新的战略方案。
三
占有巴蜀，是诸葛亮“隆中对”提出的“跨有荆、益”的基本实现，而兵定汉中，是对“跨有荆、益”的局部完善。
兵定汉中以后，刘备集团的形势一片大好。在东面，与孙权的荆州争端已暂时解决。在北面，益州门户的钥匙挂在了刘备集团的腰间，被人扼住咽喉的危局已经彻底改观。
当人们还沉浸在夺取汉中胜利的喜悦中时，诸葛亮又开始考虑新的行动步骤了。他认为，“跨有荆、益”是关系到将来北伐两路夹攻中原的大事，是“隆中对”战略计划最后实现的关键。因此，兵定汉中以后，为了进一步巩固和完善“跨有荆、益”的局面，诸葛亮又接连采取了三个措施。
第一个措施：拥戴刘备为汉中王。
建安：二十四年秋七月，刘备手下的大臣平西将军都亭侯马超、左将军长史领镇军将军许靖、营司马庞羲、议曹从事中郎军议中郎将射援、军师将军诸葛亮、荡寇将军汉寿亭侯关羽、征虏将军新亭侯张飞、征西将军黄忠、镇远将军赖恭、扬武将军法正、兴业将军李严等一百二十人，向名存实亡的汉朝廷上了一道表章，全文如下：