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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。