定軍山不僅山勢險峻易守難攻，而且還具備豐富的水源，更為關鍵的是夏侯淵并未在此地布置守軍。
建安二十四年正月，劉備留下高翔繼續駐守在陽平關外吸引曹軍注意力，而自己則親率主力南渡沔水，修筑棧道開鑿山路，然后翻越了杳無人煙的米倉山脈，在定軍山和興勢山山麓扎下營寨。
此舉其實非常冒險，如果陽平關外的高翔被擊潰，那么進出定軍山的道路就會被切斷，劉備的大軍就會成為一支上天無路下地無門的孤軍。
幸好夏侯淵在得知劉備大軍已繞進漢中之后，竟然不是率主力出關聯合張郃夾擊高翔，斷了劉備的糧道，而是選擇留下徐晃繼續鎮守陽平關，自己則帶著張郃趕到定軍山下扎起了營寨，并且修筑營壘和鹿角，意圖阻止蜀軍繼續向北推進。
而且夏侯淵的營寨距離定軍山很近，定軍山上的劉備只需站在山坡上就能清楚看到曹軍的動向，這為他自己今后的身死買下了隱患。
夏侯淵親率主力駐守在南面，而張郃則帶著本部兵馬駐守在東面。
法正見張郃兵少，便讓劉備先派兵攻打東圍，打得張郃不得不向夏侯淵求援。
夏侯淵將分撥一半兵馬支援張郃，自己繼續固守南線。
法正見成功誘使夏侯淵分兵，便讓討虜將軍黃忠預先埋伏在半山腰上，并讓劉備親自帶兵去燒掉南圍營前的鹿角。
隨后劉備派兵偷襲走馬谷，放火燒毀了曹軍陣地前的防衛工事鹿角，夏侯淵親自率四百軍士出營救火、修補鹿角。此時，法正看準時機，見夏侯淵正處于劣勢，提議全力進攻夏侯淵，劉備于是命黃忠居高臨下從后方擂鼓突襲，夏侯淵猝不及被黃忠斬殺，曹軍潰敗。
夏侯淵親自率四百親兵出營救火、修補鹿角，但是他的中軍大帳距離前沿鹿角足足有十五里遠，給了蜀軍陣斬大將的大好機會。
這樣的好機會法正當然不會放過，他看準時機，只輕描淡寫地說了三個字：“可擊矣！”
一時間鼓號齊鳴，吶喊聲響徹云霄，黃忠在得到命令后，立馬從半山腰殺出，電光火石之間便已沖到了曹軍面前。
猝不及防之下，征西將軍夏侯淵和他的四百親兵被全部斬殺，定軍山上的蜀軍主力緊隨黃忠之后，乘勝猛攻曹軍的南部營寨。
曹軍主帥戰死，群龍無首的情況下，被蜀軍殺得大敗，僅剩一些殘軍敗將狼狽地逃往了漢水北岸。
張郃見大事不妙，連夜退往陽平關與徐晃會和，至此漢水以南的全部土地盡歸劉備所有。
可是當黃忠提著夏侯淵的人頭前來請功時，劉備卻皺著眉頭說道：“要殺就殺張郃，殺夏侯淵有什么用呢？”
夏侯淵雖然是曹軍在西線戰區的統帥，可是卻不被劉備放在眼里，在曹軍中的威望也不如張郃。
司馬郭淮和督軍杜襲收斂散卒，郭淮見狀，便說：“張將軍是國家的名將，劉備也忌憚他。現在形勢緊迫，只有張將軍才能安定軍心。”
于是眾人推舉張郃出任主帥，指揮士兵，布置營寨，原本因為主帥戰死的曹軍軍心逐漸安定下來。
不久，曹操遣使令張郃假節。劉備欲渡漢水來攻，見魏軍在漢水以北列陣相迎，劉備于是放棄渡河，隔水相持。