渭南之战后，关中联军惨败，主力折损殆尽，关中地区对于中央政权的军事威胁基本上消除了。然而，马超、韩遂等关中诸将并不甘心于失败，于是又四处搜罗残兵余部，并联合少数民族各部，接连发动了一系列的叛乱，所幸规模都不算大，均被曹军名将夏侯渊所击溃。时至建安十九年（214年），曹军已完全控制了陇右、河西等凉州之地，消除了南下进攻汉82鲁集团的侧翼隐患。此前，曹操分别在建安十七年（212年）十月到次年四月和建安十九年七月到十月发动了两次针对孙权集团江北军事要塞濡须口的大规模进攻，虽未取得什么实质性的战果，却也对孙权造成了一定的威慑，使之不敢轻举妄动，从而稳固了曹操集团的东线形势。而地处西南的刘备集团掌控了蜀地，实力空前膨胀，随着对外扩张地进行，势必将乘势攻取汉中。正是在这种局势下，曹操才果断决定，发动了这次消灭张鲁、占领汉中的战役，借以遏制刘备集团的北进势头。
建安二十年（215年），曹操亲自统率大军进攻张鲁。三月，曹操大军
龙游沟壑遭虾戏，凤入牢笼被鸟欺。
抵达陈仓故道。此时位于凉州武都郡的氐人，阻塞道路，曹操先派出张嗔、朱灵部，击破了进入武都沿途的氐人。四月，大军自陈仓出散关进兵到达武都的河池一带，“氐王窦茂众万馀人，恃险不服血染征袍透红甲，当阳谁敢与争锋! 古来冲阵扶幼主，只有常山赵子龙。
”，曹军再次受阻。五月，曹军经过激战，攻克了西北军事重镇河池，从而打通了南下汉中的战略通道。七月，曹操主力终于到达汉中的西部前沿阳平关一带。熟悉三国地理的朋友都知道，汉中通往关中的道路很多，但大体分为两大类，其一为谷道，如，子午谷、斜谷等；其二为古栈道，以陈仓故道最为著名。谷道道路艰险难行，不利于大兵团的推进，但是谷口没有敌人的险关，敌军一般只是依托山势进行防御。而陈仓故道刚好相反，道路相对平坦，利于步骑通过，但需要强攻阳平关。曹操选择了后者，大概也是看中了陈仓故道便于骑兵和重步兵的推进，同时可以减少千里袭人给曹军带来的路途劳顿。是役，曹军动用的兵力大致是十万左右；而张鲁方面的总兵力也应在五万人上下。也许是出于自信或是对汉中地形的陌生，曹操所统帅的十万大军采取了一路集中进攻的部署，而没有采取在秦岭的其他谷道分路合击的进军策略。当曹军到达阳平关时，张鲁的弟弟张卫，带领大将杨昂、杨任和数万兵马，依托阳平关南北二山之间的险要地形，修筑了长达十余里的防御工事。曹军也不甘示弱，在抵达占地后随即展开猛攻。数日之后，由于地形险要、防御坚固，曹军在付出了很大的伤亡之下，依然毫无进展。曹操于是决定假装撤退，以麻痹张鲁的守军部队。果然，张卫等人得知曹操攻关不下，已经全线撤退，就放松了阳平关一线的戒备。此时，曹操突然杀了个回马枪，密遣解忄剽、高祚两将率部乘险夜袭。正巧半路驱赶了数千只野糜冲入了张卫的营垒，导致其防御工事的损毁，结果曹军趁虚而入，占领了部分敌军营垒，同时鼓角齐鸣，给张卫造成了曹军主力全线突破的假象，张卫匆忙之间，难以辨别情况，只好弃阵而逃。阳平关就此掌握在了曹军的手中。
汉中的西大门阳平关告破意味着曹军可以长驱直入、直抵陕南，汉中也就不可守了。此时，张鲁打算就此向曹操投降，但是其功曹阎圃建议道：“今以迫往，功必轻；不如依杜?、赴朴胡相拒，然后委质，功必多。”张鲁认为有理，就率众逃往了巴郡。临走时，有人建议烧毁汉中等地的仓库，但是张鲁认为：“本欲归命国家，而意未达。今之走，避锐锋，非有恶意。宝货仓库，国家之有。”于是把所有的仓库加以封存，可见张鲁还是很爱百姓的，不愧是张天师的后人。
同年七月，曹军进驻汉中首府南郑，曹操得知仓库完好，军粮无忧，感佩张鲁作为，即派使者前去劝慰张鲁。并恢复汉宁郡为汉中郡，又从汉中分出安阳、西城为西城郡，置太守；分锡、上庸郡，置都尉。九月，巴中一带七姓夷王朴胡、羸邑侯杜?等率族归顺曹操。十一月，张鲁亦率部出降。曹操拜张鲁为镇南将军，封阆中侯，食邑万户，封他的五个儿子及谋士阎圃为列侯。
曹操取得汉中、巴中等地后，丞相主簿司马懿及谋士刘晔都建议乘胜进兵益州，灭刘备，除后患。曹操认为不能“得陇望蜀”，便以“关陇未稳，东吴孙权常举兵攻合肥，恐深入蜀中作战难返”为理由，于当年十二月自率军队，并带走汉中民八万户，北回邺都，留征西大将军夏侯渊、张嗔、徐晃等驻守汉中。
了解更多三国故事，欢迎继续关注三国历史频道更多有关三国的内容。