接到刘备要求增兵的命令后，诸葛亮立刻调集军队增援前线。而曹操知道汉中战事进入相峙后，也亲赶来到汉中指挥作战，走到长安时，因为政事，曹操耽搁了半年。
建安二十四年（219）春三月，曹操从长安出斜谷，进入汉中。
此时曹操来得已经太晚了，一个多月前战事发生逆转，前敌总指挥征西将军夏侯渊，已经战死沙场。
干掉夏侯渊的是老将黄忠。
随着战事的进行，刘备后方军队源源到来，而夏侯渊部队虽然精锐勇猛，却越打越少，越打越疲，逐渐收缩防线，固守阳平关。
刘备虽然掌握着战争的主动权，但进攻汉中将近一年，不断损兵折将，却没有取得多少战果。
得到曹操即将前来的消息，刘备更加坐不住了。连夏侯渊都搞不定，曹操大军再来，这仗还怎么打？
为应对更加残酷的战斗，刘备听从法正的建议，率精锐部队渡过汉水，沿山路南行，驻扎在定军山上，居高临下，威胁阳平关侧后。
刘备占领定军山，是攻其必救。夏侯渊不得不与张郃率军出关扎营，被动防御。“三日五百，六日一千”的闪击将军夏侯渊很无奈，如今打的是“三月不动，六月坚挺”的阵地防御战。
动员大会结束之后，刘备连夜对山下的夏侯渊大营发动总攻。
这次刘备军主要是用火烧毁曹军大营周围的鹿角和栅栏。烧开这些防御工事，就能直接冲进营盘群殴砍人了。
眼看鹿角被烧，几面围攻，夏侯渊只好分兵抵抗，急忙命令张郃守卫大营东面，自己守卫大营南面。
刘备军奋勇进攻，志在必得。尤其是老将黄忠，抱着必死的决心，拿出玩命的劲头，身先士卒，短兵相接，杀向夏侯渊。
战争描写极为简略的《三国志》，也特意记录了黄忠奋战的场面：
“（夏侯）渊众甚精，（黄）忠推锋必进，劝率士卒，金鼓振天，欢声动谷，一战斩渊，渊军大败。”
通过这些简短的文字，可以想象出金鼓动地、杀声震天的古战场，黄忠身先士卒，杀气腾腾冲向敌军主帅夏侯渊，双方将士杀成一团，兵器交接铿锵不断，长刀入肉，钝声沉闷，战士被砍中的怪叫，喷薄而出的鲜血，夏侯渊奋死抵抗无力回天，身中数创临死前喉管里不屈的低吼……
老将黄忠就凭借冠绝三军的勇气，斩曹魏名将夏侯渊，以及曹操任命的益州刺史赵颙，只手扭转汉中战役！黄忠阵斩主帅夏侯渊，曹军顿时军心大乱。张郃大吃一惊，明白大营是守不住了，急忙率残军败将逃回阳平关。
此时，曹操来到。
定军山大胜之后，刘备一直占有战略优势。为保持优势掌握在自己手中，刘备下令凭险固守，不与曹操交锋。
刘备这样做是有道理的，凭借诸葛亮在后方的调度，自己的军需给养比较充足，大胜之后士气高涨，打持久战没什么问题。但曹操不一样，率领大军转战几千里，路途遥远，后勤跟不上，而且后方不稳，拖下去只有死路一条，只能速战速决。
很快，曹操就撑不下去了，率领汉中、阳平关、下辩等地的军队全线撤退至陈仓一线，退守关中、凉州。
汉中争夺战，确立了天下三分的格局。
刘备在进入汉中的同时，乘曹操全线撤退的机会，派兵占领了凉州的武都郡。
另外，为打通汉中与荆州的道路，刘备命令在荆州的宜都太守孟达率领本部四千人马（孟达与法正一起迎接刘备入蜀时的那批军队），向西北方向进攻房陵（今湖北房县）、上庸（今湖北竹山）、西城（今陕西安康）等地。由于孟达人马不多而且不是嫡系，刘备派遣养子刘封从汉中沿汉水东下，与孟达会师上庸，并担任主帅。很快，房陵、上庸、西城等地纷纷落入刘备之手。
经过三十多年的努力，刘备终于走上了一生事业的最高峰。
