建安二十年三月，曹操率十萬之眾攻打張魯，欲奪漢中。
曹軍從關中出發，取道陳倉（今陝西寶雞）、散關（在今寶雞大散關）、河池（今甘肅徽縣西北），七月抵達陽平關（在今陝西勉縣西）。曹軍遭到張魯之弟張衛的頑強抵抗。曹軍攻打關城不下，傷亡較大，而且勞師襲遠，糧食將盡。曹操不想陷在漢中，傳令退兵。不料，撤退的曹軍後隊半夜誤入張衛軍營，張衛軍受驚。
曹操聞報立即改變部署，以退為進，僥倖攻下陽平關。八月，進入南鄭，十一月，逃到巴西的張魯率餘部歸降。曹操攻取漢中用了半年多的時間，因秦嶺阻隔帶來的軍糧不濟，戰事不利，能取勝帶有一定的偶然性。
在奪得漢中後，曹操乘勝派人收降了巴地的夷人和賨民。巴地的夷人和賨民歸附後，他任命他們的頭領為三巴太守（益州東部的巴郡、巴東、巴西三郡稱三巴，轄境相當於今四川的嘉陵江和重慶的綦江流域以東大部），把勢力伸向劉備勢力的區域。
此期間劉備在忙什麼呢。他於建安十九年（214年）六月取得成都後，便在次年率兵五萬東征，對付孫權來奪取荊州，他沒有時間、沒有力量去顧及漢中。當曹操攻克漢中，益州的安危受到威脅時，他才意識到問題的嚴重性。於是，他與孫權講和，以湘水為界中分荊州，然後迅速返回蜀地。此時，因南鄭失陷，張魯正逃亡在巴西，尚未投降曹操。黃權向劉備指出：“若失漢中，則三巴不振，此割蜀之股臂也。”
劉備立即令黃權去聯絡張魯，企圖穩住局勢。但為時已晚。曹操迅速收降張魯，並任命了三巴太守。於是，劉備令黃權領兵攻打三巴，東巴太守樸胡等戰敗。曹操只得放棄對三巴的控制，改令張郃率軍侵擾三巴，掠奪人口。劉備又令張飛迎戰，在巴西宕渠（今四川渠縣東北）大敗張郃。曹操向南擴充套件連連失利，他不願糾纏於此，便留下夏侯淵、張郃等人鎮守漢中，自己率主力在當年十二月回軍。
曹操攻下漢中，其勢力與劉備接壤。當時，劉備佔領益州僅一年，又親率大軍遠赴荊州作戰。在如此形勢下，曹操的謀臣司馬懿、劉曄等紛紛獻策，勸曹操趁此有利之機南下攻取成都。
然而曹操並沒有採納。
佔領漢中時，曹操為什麼不趁勢進圖巴蜀，這是否貽誤戰機、造成料敵決策的失算嗎？
其一，曹操內部存在著不穩定的憂患他於建安十八年十月基本平定隴右，涼州羌人新附；當時雖奪得漢中，而張魯逃在巴西，尚未投降；而孫權則在淮南虎視眈眈，關羽又在荊州待機而動。在隴右、漢中都未鞏固之時，再深入巴蜀，若一時難以取勝或暫時受挫，很容易引起後方動盪和造成東線失利。
其二，劉備集團並非張魯，曹操難操勝算劉備集團已歷征戰風雨三十餘年，豈似張魯，不堪一擊？劉備入蜀已一年有餘（建安十九年六月至次年七月），採取了多種措施穩定局面；他遠去公安與孫權爭荊州，也留有諸葛亮等人坐鎮成都。而且三巴太守和張郃的戰敗已經讓曹操的南下舉動嚐到苦頭。
其三，巴蜀地形也非漢中，容易造成進退失據漢中至巴蜀道路懸遠（褒斜道470裡，漢中至成都的鐵路距離為1000裡），劍閣道、金牛道的關隘甚多。如果劉備軍據險守要，展開持久抵抗，曹操就會陷於進退維谷，不能自拔。
曹操不來打劉備，但劉備準備打漢中。建安二十二年（217年），法正建言，此時應該出兵攻打漢中了。
這年十月，他部署攻取漢中的作戰方案。首先，派張飛、馬超、吳蘭等率兵攻打武都下辨（在甘肅成縣西北），封鎖曹軍從隴右進入漢中的道路。然後，於次年春留諸葛亮守成都，自己率兵三萬，殺向漢中。
建安二十三年（218年）春，曹操派出曹洪攻打佔領下辨的張飛軍。兩次交戰下來，吳蘭戰死，張飛、馬超敗逃，撤離。四月，劉備又派陳式率軍封鎖馬鳴閣道，被曹將徐晃擊敗。“劉備欲斷絕內外，以取漢中”的初始目標受到挫敗。
此時，劉備率軍進至陽平關。他將一萬精兵分作十部，在夜間輪番猛攻曹軍。夏侯淵、張郃、徐晃拒險反擊，劉備軍被阻於關下。兩軍對峙數月後，劉備決定增兵。文書傳到成都，諸葛亮徵求下屬意見。楊洪說：“漢中則益州咽喉，存在之機會，若無漢中則無蜀矣，此家門之禍也。方今之事，男子當戰，女子當運，發兵何疑？”
諸葛亮立即徵調兵馬，馳援漢中。劉備得到數萬援軍，漢中戰場形成劉強曹弱的形勢。
曹操得知劉備獲得援兵，準備大舉發動進攻，他唯恐夏侯淵等人有失，決心親自去對付劉備。這年九月，他離開鄴城，率軍抵達長安。
建安二十四年（219年）正月，兩軍相峙一年多，劉備久攻陽平關不下。於是，他改變戰術，避實就虛，棄關南渡漢水，到定軍山（在今陝西勉縣南）安營紮寨。定軍山是漢中西面門戶，軍事位置重要。夏侯淵也率軍尾隨而至，在山下築營，設鹿角為屏障，與劉備對壘。劉備趁夜攻曹營，放火燒鹿角。夏侯淵令張郃守東營，自守南營，分兵抵禦。
次日，夏侯淵率輕兵修復營寨鹿角。法正見有機可乘，建議劉備出擊。於是，劉備令黃忠以山勢作掩護，率軍從山上殺出。曹軍措手不及，黃忠刀劈夏侯淵，大敗曹軍。張郃率軍退守陽平關。漢中曹軍失去主帥，驚恐不安，只好推張郃臨時主事。劉備欲乘勝渡漢水進攻南鄭，被曹將郭淮識破，列陣以待，劉備只得作罷。
曹操聞報夏侯淵戰死，一方面任張郃為統帥，一方面自率大軍五萬，從長安入褒斜道，向漢中進發。三月，曹操到達陽平關前線。此時，漢中戰場的形勢轉為曹強劉弱。但是，蜀軍士氣高昂，劉備對於曹操率軍到來毫無懼色。他說：“曹公雖來，無能為也，我必有漢川矣。”
劉備胸有成竹，調兵遣將，扼險守要，堅壁不戰，用以逸待勞的戰術對付曹軍。曹操無可奈何。
在漢中爭奪戰中，曹軍始終存在軍糧不繼的問題。劉備在憑險固守的同時，還不斷派兵偷襲曹軍糧道，增加曹軍軍糧供應的困難。一次，曹軍運糧到北山（在秦嶺南麓），劉備令黃忠領兵去搶奪，趙雲在後接應。不料，在途中趙雲所率少量騎兵遭遇曹軍大部隊。
趙雲沉著應對，且戰且退，回到營寨，傳令大開寨門，偃旗息鼓，擺起“空城計”。曹軍追來，見此情景，懷疑有伏兵而退去。趁曹軍退走之機，趙雲令將士擂鼓吶喊，弓弩齊發，曹軍驚懼，爭相逃命，踐踏和落入漢水死者不計其數。次日，劉備得知前來檢視，不禁讚歎道：“子龍一身都是膽也！”
曹操到漢中一個多月過去了，軍事上毫無進展，軍糧日漸匱乏，士卒逃亡增多。面對困境，他一籌莫展：放棄漢中於心不甘，對峙下去又困難重重。一日，他便傳下一道口令，曰“雞肋”。主簿楊修得到口令後說：“夫雞肋，棄之如可惜，食之無所得，以比漢中，知王欲還也。”
曹操意識到短時間內不能戰勝劉備，而長時間陷在漢中弊大於利，“雞肋”口令一出，表明他已決定放棄漢中。這年五月，曹操傳令撤軍，回到長安。他在漢中前後不足三個月。至此，漢中成了劉備的地盤。
劉備攻取漢中之戰，從建安二十二年十月到二十四年五月，歷時一年零八個月。曹操被逼出漢中，劉備能在此戰中大獲全勝，原因何在呢？
1。劉備集團比曹操更重視漢中
漢中作為曹、劉勢力的中間地帶，其戰略位置之重要雙方均能充分認識。曹操擁有中原、北方大片土地，赤壁之戰後又得到關中、隴右，同時在與孫權爭奪江淮地區，相比之下，漢中在他心目中的重要性打了折扣，甚至是可有可無。
劉備則不然。他擁有的地盤有限，僅為益州部分和荊州部分，急需拓展勢力範圍。況且漢中關係益州之存亡，無漢中則西蜀無安全感，這是劉備集團上下的共識。
2。劉備能集中全力爭奪漢中，曹操則難以做到
當劉備率軍來爭奪漢中時，曹操面臨諸多內憂外患，窮於應付。如北有烏桓部將的起兵，南有宛城守將的叛亂，東要對孫權集團交戰，戰線過長，使他難以全力對付來爭奪漢中的劉備。當劉備在漢中戰局中佔主動時，他才意識到問題的嚴重性，趕緊抽身率軍趕到漢中前線，但為時已晚，戰局已無法逆轉。
劉備是在入成都三年多之後才率軍攻漢中的，此時他已在西蜀牢牢站穩腳跟，並且與東面的孫權平分荊州而言和，內外無憂。所以，他能集中人力、財力和物力投入漢中爭奪戰，全力對付漢中曹軍。
3。劉備集團佔有地利優勢
漢中隸屬益州，背靠巴蜀。因此，劉備從西蜀進軍漢中，人地兩熟，補充兵源、運送糧食物資，都較為安全、便捷。例如，他向成都求援時，諸葛亮的援兵、糧草都能及時、足量送到，因此得以迅速擺脫困境，掌握戰場主動權。
曹軍以關中、隴右為漢中戰場的後方，而關中、隴右系新歸降之地，對於曹操集團來說，是人地兩生；而且其間有崇山峻嶺阻隔，因此兵源徵集，糧食調運，都存在極大困難。後方不能有力支援前方戰場。
4。在漢中，劉備集團的將帥比曹軍優秀
劉備親率大軍爭奪漢中，除諸葛亮、關羽外，幾乎主要謀臣、戰將都全部隨行，包括了張飛、馬超、黃忠、魏延、法正、許靖等。而曹操留守漢中為夏侯淵、張郃、郭淮、杜襲等人，均系二三流人才。因此法正說夏侯淵、張郃等人非一流將才，並非貶抑之詞。劉備將帥的文韜武略高出這些人一籌。
其實曹操也清楚，漢中曹軍將弱兵寡，他就曾告誡夏侯淵說：“為將當有怯弱時，不可但恃勇也。將當勇為本，行之以智計；但知任勇，一匹夫敵耳”。
因此，當漢中戰事危急時，他要率軍親征。
5。劉備在漢中的作戰方略正確
劉備攻打漢中準備充分，戰略戰術正確。他首先用了兩年的時間“整治成都通向漢中的道路，遠途設定物資轉運倉庫，以保證前方的一切需要”，完成了備戰的後勤工作。
出師漢中前，他先派兵切斷陽平關西進入漢中的沮道和馬鳴閣道，封鎖漢中的曹軍。當攻陽平關不下時，則透過棄關佔領定軍山的戰術，誘使夏侯淵離關，然後抓住戰機將其擊敗，於是獲得第一階段的勝利。
在曹操領兵前來、曹強劉弱的形勢下，劉備利用曹軍糧食供應困難的弱點，憑險固守，堅壁不戰，將勞師襲遠的曹軍拖疲拖垮，同時破壞曹軍的糧食運送，逼得曹操呆不下去。曹操只得讓出漢中，後退至陳倉建立防線。
劉備一生打過不少仗，而獲勝的不多。漢中爭奪戰是他運用戰略戰術最好的一次。對於這一次劉備能較好運用作戰方略，曹操曾不服氣地說：“必為人所教也”。