三月，曹操率領大軍抵達漢中地界，進駐陽平關。
劉備躊躇滿志，說即使曹操親自前來，也不能改變什么，自己一定會擁有漢中。劉備在山上扎營，占據險要，固守不戰，與曹操對持。
僵局打破
曹操來爭漢中，將數千萬囊糧草搬運到北山囤積。
劉備派人到成都讓諸葛亮調兵來支援，楊洪以漢中是益州咽喉，家門之禍、存亡之機，勸諫諸葛亮在這種時候應該“男子當戰，女子當運”。
時黃忠在趙云營內。黃忠見曹操運送了這么多的糧草，于是建議趙云可以去劫取。但曹操的囤糧重地，應該是有重兵把守，為謹慎起見，趙云與黃忠約定期限，然后再讓黃忠領兵去劫糧。黃忠逾期未歸，趙云率領輕騎前往接應，正與曹軍相遇，曹軍緊追不舍，直到趙云營前，趙云大開營門，偃旗息鼓，曹軍懷疑趙云設有伏兵，引軍退走，趙云趁機反擊，曹軍驚駭，自相踐踏，死傷極多。
后來，劉備開始主動出擊，派劉封于陽平關前叫陣，曹操大罵劉備常派義子出戰，稱自己可用黃須兒曹彰來與劉封一戰。曹操于是派人去召曹彰來援漢中。
五月，曹彰日夜兼程，趕至長安。但曹操已經撤出漢中。
漢中之戰以劉備的勝利而結束。秋七月，劉備稱漢中王。
戰爭結果
漢中爭奪戰從建安二十二年（217年）至建安二十四年（219年）五月，持續了將近兩年之久。劉備方陣亡吳蘭、雷銅、任夔等，曹操方陣亡夏侯淵、趙颙等，所以從陣亡將領來看，曹操的損失較大。但劉備方前線兵力不足，已經到了男子當戰、女子當運的地步，可見戰爭過程中，劉備方的局勢也不是很樂觀。
曹操方將領王平投降劉備。
曹操撤退時，在漢中可控制的范圍內將百姓遷走。
劉備占領漢中全境后，派遣劉封、孟達乘勝攻取了東三郡（魏興、上庸、新城）。
戰爭評價
漢中之戰，曹劉雙方都投入了非常多的戰力，劉備方參戰將領張飛、馬超、趙云、黃忠等，曹操方參戰將領夏侯淵、曹休、曹真、張郃、徐晃、郭淮等，都是三國時期的名將，可謂是一場勢均力敵的戰爭。然而這場持續了將近兩年之久的戰爭，史書上卻交待非常少，歷代也少有對這場戰爭的戰術評價。
諸葛亮曾說：“及至孟德，以其譎勝之力，舉數十萬之師，救張郃于陽平，勢窮慮悔，僅能自脫，辱其鋒銳之眾，遂喪漢中之地。”司馬懿也曾說：“昔武皇帝再入漢中，幾至大敗。”
而曹操從建安二十三年七月開始治兵，到建安二十四年三月抵達漢中，準備時間長達半年有余，但在漢中與劉備僵持了僅僅兩個月就撤出漢中，漢中之戰中發生的漢水之戰被認為是曹操速敗的原因，后世史家治史時對漢中之戰的記載多為曹操被趙云所擊敗。如，南宋朱熹撰《資治通鑒綱目》：三月，魏王操出斜谷，劉備將趙云擊其軍，敗之；元胡一桂撰《十七史纂古今通要》：趙云大敗操兵，操引還長安，帝遂有漢中，自稱漢中王；元趙居信撰《蜀漢本末》：三月，操出斜谷。將軍趙云擊其軍，敗之。夏五月，操引還，昭烈遂取漢中；明章如愚撰《群書考索》：趙云將數千騎大破魏兵，備遂有漢中。
兵力戰損
曹劉爭奪漢中所投入的兵力難以考證。劉備在攻打張郃營時，投入了精兵一萬多，[28]但在整個漢中之戰中劉備投入的總兵力卻沒有記載；曹操方面，建安二十二年（217年），陳琳發布《檄吳將校部曲文》宣稱夏侯淵鎮守漢中有五萬精兵，以及一些少數民族軍隊，《諸葛亮集》里說曹操親自來爭漢中帶了有幾十萬兵力。雙方的兵力損失更是沒有記載。