渭南之戰後，曹操完全控制了關中，徹底打通了通往漢中的通道，建安二十年（15），曹操親自率領大軍討伐張魯，並且成功佔據漢中。
【過道滅氐】
建安二十年（15）三月，魏公曹操親自率兵攻打張魯，準備自武都進入氐人所居之地。氐人在途中攔截，曹操派張張郃、朱靈打敗了氐人。夏季，四月，曹操從陳倉出散關，到達河池。氐王竇茂有部眾一萬餘人，仗恃地勢險要，不肯降服。五月，曹軍打敗氐人，並進行屠殺。同年，西平、金城的將領麴演、蔣石等將領共同殺死韓遂，並且將他的頭顱獻給曹操。
【攻佔漢中】
同年秋季七月，魏公曹操抵達陽平。張魯讓他的弟弟張衛和部將楊昂佔據陽平關，沿山腰修築十多裡長的城牆，曹軍難以攻克，便撤軍而走。張魯兵見曹公領兵退走，便解除了這裡的防備。
曹公卻暗中派解口、高祚等人冒險乘夜偷襲，把敵軍打得大敗，殺了楊任，又攻打張衛，張衛等人連夜逃走。張魯潰不成軍，逃往巴中。當時劉曄做為主簿隨軍西征。曹操到了漢中郡，山勢險峻，難於攀登，軍糧非常缺乏，於是：“這是個妖妄的地方，或有或無，無關輕重。我軍缺少糧食，不如迅速回兵。”曹操即親自率領士兵返回，命令劉曄都督後面的各路人馬，讓他們按序出山。而劉曄算計張魯可以攻克，加上運糧的通道不能接續，雖然退出，軍馬還是不能完好無損，於是飛馬告訴曹操：“不如致力於進攻。”曹操隨即進兵，大破敵軍。
曹公大軍進入南鄭縣，張魯府庫中的珍寶全被繳獲。巴郡、漢中郡全部投降。把漢寧郡的名稱恢復為漢中郡；劃出漢中郡的安陽、西城新設西城郡，設太守；分設錫郡、上庸郡，設定都尉。
關於攻佔漢中之事還有其他的記載，董昭上表中記錄是曹操退軍後士卒無意中進入張衛大營，敵軍遂敗，《世語》中也有野麋衝擊張衛大營，驚動大營，張衛後又誤與高祚等遭遇，大懼遂降的記載。
魏名－－－－，m.＋.co∞m臣奏載董昭表曰：“武皇帝承涼州從事及武都降人之辭，張魯易攻，陽平城下南北山相遠，不可守也，信以為然。及往臨履，不如所聞，乃嘆曰：‘他人商度，少如人意。’攻陽平山上諸屯，既不時拔，士卒傷夷者多。武皇帝意沮，便欲拔軍截山而還，遣故大將軍夏侯惇、將軍許褚呼山上兵還。會前軍未還，夜迷惑，誤入賊營，賊便退散。侍中辛毗、劉曄等在兵後，語惇、褚，言‘官兵已據得賊要屯，賊已散走’。猶不信之。惇前自見，乃還白武皇帝，進兵定之，幸而克獲。此近事，吏士所知。”
又楊暨表曰：“武皇帝始徵張魯，以十萬之眾，身親臨履，指授方略，因就民麥以為軍糧。張衛之守，蓋不足言。地險守易，雖有精兵虎將，勢不能施。對兵三日，欲抽軍還，言‘作軍三十年，一朝持與人，如何’。此計已定，天祚大魏，魯守自壞，因以定之。”
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世語曰：魯遣五官掾降，弟衛橫山築陽平城以拒，王師不得進。魯走巴中。軍糧盡，太祖將還。西曹掾東郡郭諶曰：“不可。魯已降，留使既未反，衛雖不同，偏攜可攻。縣軍深入，以進必克，退必不免。”太祖疑之。夜有野麋數千突壞衛營，軍大驚。夜，高祚等誤與衛眾遇，祚等多鳴鼓角會眾。衛懼，以為大軍見掩，遂降。
【張魯來降】
本來張魯在曹操大軍來臨之際就想要投降曹操。但張魯弟張衛不聽，率數萬人馬堅守陽平關，為曹操所破。張魯聞訊，想磕頭稱降。閻圃又獻計：“如今您誰被迫謁見，肯定得不到曹公的重用，不如先到樸胡去抵抗，然後再向他獻禮稱臣，這樣才會得到曹公的重用。”張魯於是率軍前往巴中。臨行前，左右的人想將倉庫裡的寶物全部焚燬，張魯：“我已有歸順朝廷的意願，但這一意願沒能讓曹公知曉。今天我們離開，不過是避開鋒芒，並沒有別的意圖。寶貨倉庫，應歸國家所有。”於是將寶物都妥善藏好才離去。
曹操到達南鄭後，對張魯的行為深加讚許，又因張魯早有歸順之意，所以派人前去慰問。張魯帶著全家謁見曹操，太祖任命他為鎮南將軍，以客禮相待，封張魯為閬中侯（一作“襄平侯”），食邑一萬戶。曹操將他和家屬帶回鄴城。封張魯的五個兒子及閻圃等人為列侯。替自己的兒子曹宇娶張魯女兒為妻。
程銀、侯選、劉雄鳴等人在關中被曹操軍擊敗後，均投靠了張魯，後他們遂張魯一起投降曹操，並且官復原職，原馬超部下龐德也是此時歸降曹操。
話，當年劉雄鳴拒絕和馬超一道對抗曹操，被曹操派出收攏舊部，結果反而被部下逼反，失利後逃往漢中，他隨張魯投降後，曹操一見他，便拉著劉雄鳴的鬍鬚道：“你個老賊，我看你還往哪兒跑？”儘管當時曹操很是氣憤，但曹操並未予以追究，而是恢復了劉雄鳴的官職，把他調往渤海郡做事，後來劉雄鳴就在此去世。
【寧為曹公作奴，不為劉備上客】
曹操破張魯後，張魯逃入巴中，黃權向劉備進言：“如果失去漢中，則三巴之地就會受到威脅，這就割去了蜀地的大腿與臂膀。”於是劉備以黃權為護軍，率領諸將進入巴中。但張魯已經回到南鄭，投降於曹操。
據《華陽國志·卷二》記載，建安二十年（15），曹操西征張魯，張魯在逃亡巴中時，劉備派人準備迎接，而閻圃勸張魯北降曹操：“協助以成大事，應該附託曹操；如果不這樣，就西結劉備來歸附。”張魯憤怒的道：“我寧願為曹公的附屬，也不為劉備的座上客！”於是投降曹操。
歷史上張魯之所以如此的討厭劉備，也不是沒有理由的。當年劉備進入益州的藉口就是幫助劉璋對付張魯，後來劉備又從張魯那裡把他愛將馬超挖走了，可以兩人的關係本身就不好。
如果張魯被曹操~逼到了絕境，他沒準會放棄以前的恩怨轉而投靠劉備，但實際上張魯早就有意歸順曹操，他的謀士閻圃也支援張魯歸曹，曹操本人也在戰後願意接納張魯的投降，在這種情況下張魯敢甩劉備的面子就很正常了。