夏侯淵戰死之後，曹操親自率軍迎戰劉備，以圖重新奪回漢中，然而劉備居堅而守，曹操不得勝，漢中遂為劉備所得。
【漢水之戰】
漢水之戰是漢中大戰中發生的一次戰鬥，當時黃忠出擊劫糧，但最後失約，於是趙雲出擊企圖探明情況，途中遭遇敵軍，並且以空城計重創了曹軍，其事例在《雲別傳》中有詳細記載。
夏侯淵戰死後，曹操親自率領大軍來爭奪漢中，並運送大量的軍糧到北山下，有數千萬袋，黃忠得知後建議趙雲可以去偷襲北山，趙雲同意後，派兵讓黃忠前去劫取糧草，但為了謹慎起見，趙雲與黃忠約定時間後讓黃忠出征。
黃忠領兵去劫糧，過了好趙雲約定的時間仍未回營，趙雲擔心黃忠出了什麼意外，而自己的大本營又要留兵駐守，於是趙雲留張翼率領其餘士兵守營，自己僅率幾十個騎兵出去尋找黃忠。結果正好碰上曹操派出的大軍，趙雲遭到曹軍先鋒部隊的攻擊，剛與敵人交手，曹操的大軍已來到面前，聲勢逼人。趙雲便一次又一次地突擊曹軍陣列，且戰且退，竟憑著幾十個騎兵將曹操軍的大軍打散，突圍而出。但是曹軍迅速將被打散的部隊整合，追擊趙雲。此時部將張著受傷，又被曹軍包圍，已經突圍而出的趙雲又一次馳馬突擊曹軍，衝進曹軍的包圍圈並救出張著，再次突圍而出，將他帶回營寨內。而曹軍緊追不放，追至趙雲軍的營寨前。
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沔陽長張翼正在防守營寨，見曹操大軍殺到，便要閉門拒守。趙雲此時兵力較少，認為死守不是最好的辦法，於是進入大營之後，卻下令大開營門，然後令自己的軍隊偃旗息鼓。曹操軍見此情況，懷疑趙雲設有伏兵，怕中埋伏，不敢向趙雲進攻，於是向後退去。此時趙雲下令鳴擊戰鼓，鼓聲震天，又令軍士以勁弩射曹操後軍，曹軍驚駭，自相蹂踐，墜入漢水中淹死者不計其數。
次日劉備親自來到趙雲兵營察看昨日戰鬥之處，讚歎：“子龍一身是膽也！”於是設宴歡慶直到黃昏，軍中亦稱呼趙雲為“虎威將軍”。
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【曹操退兵】
曹操從建安二十三年（18）七月開始治兵，到建安二十四年（19）三月魏王曹操從長安出兵經過斜谷，派出先頭部隊扼守險要之處向漢中進軍，其準備時間長達半年有餘，但僅僅兩個月後，曹操就放棄漢中回師長安。
裴松之的補註中有記載，有一次劉備有一次與曹操在作戰中，形勢不利，本應馬上撤退，而劉備卻大怒不肯撤軍，無人敢進諫。當時箭如雨下，法正便走去擋在劉備前面。劉備趕緊喊道：“孝直避箭。”法正回道：“連明公也冒著箭雨、飛石，何況我呢？”劉備只好允諾：“我和你一起撤退。”便暫時撤軍了。
當時劉備堅壁不出，曹軍與劉備軍相距數月，無利，最終選擇放棄漢中。
據《九州春秋》記載，當時魏王曹操想回去了，於是下令“雞肋”，官員們不知道的是什麼。主簿楊修知道後便整理行裝，人們吃驚地問修：“你怎麼知道的？”楊修：“雞肋，棄之可惜，吃了也得不到什麼，以其比做漢中，就知道魏王是想回去了。”
另據《魏略》記載，曹操其時在漢中與蜀軍鏖戰，而劉備棲軍於山頭之上，命劉封下山挑戰。曹操便罵：“你這個賣草鞋的子，竟然派你的義子領兵來抵抗我，啊！看我叫我（親生）的黃須兒來。”於是下令召曹彰助戰。曹彰於是日夜倍道兼進，然而西到長安之時曹操已經從漢中回來。曹操東還後，以曹彰行越騎將軍，留守長安。
曹操命令各路軍隊陸續退出漢中，又令曹真到武都去迎接曹洪所部回屯陳倉，當時張郃也屯兵於此，防備劉備。曹操雖然不得已放棄漢中，但又恐劉備北取武都氐人而進逼關中，問計於張既。張既答道：“可勸氐人遷出，到糧食充裕的地方避敵。並且對先至者予以重賞。如此氐人必爭相趕往。”曹操依計行事，遣張既至武都，徙氐人五萬餘至扶風、天水兩郡定居。
【攻取上庸】
建安二十四年（19），劉備徹底佔領漢中全境，另外又派遣宜都太守孟達率軍奪取房陵郡。當時孟達從秭歸北攻房陵，房陵太守蒯祺（蒯祺是諸葛亮的姐夫）為達兵所害。
其後孟達又揮軍進攻上庸郡，劉備暗地裡擔心孟達難以獨力取勝，於是遣劉封從漢中順沔水南下去統領孟達的軍隊，除了劉封之外，還有一名叫李平的將領也參與了這一戰，後劉封率軍與孟達上庸合兵一處後成功地逼降了上庸太守申耽。佔領上庸後劉封遷為副軍將軍，申耽為徵北將軍，兼上庸太守，劉備還任命申耽的弟弟申儀為建信將軍、西城太守。
房陵郡和上庸郡原來都是歸屬於漢中郡，為張魯所管割，曹操平定漢中後，從中分出二郡，並且將二郡改為荊州所屬。
【漢中稱王】
取得漢中之戰的勝利後，先主為漢中王劉備在群臣的擁立自立為漢中王，他在沔陽設壇場，佈置軍隊排列成陣，郡臣都來陪從，讀過奏章，跪拜接受漢中王的印璽綬帶，戴上王冠。派使者乘驛馬車將奏章送呈獻帝，歸還以前授予的左將軍、宜城亭侯的印綬。
劉備稱王後立兒子劉禪為王太子。提撥牙門將軍義陽人魏延為鎮遠將軍，兼漢中太守，鎮守漢川。後劉備回到成都主持各項政務，任命許靖為太傅，法正為尚書令，關羽為前將軍，張飛為右將軍，馬超為左將軍，黃忠為後將軍，其餘的人按照等級都有升遷，而鎮守後方的諸葛亮並沒有記載得到賞賜和升遷。
歷史上第一個稱漢中王的人正是漢朝的開國皇帝劉邦，西楚霸王項羽由於不滿劉邦以逸待勞先進入咸陽，所以在分封諸侯之時，故意將劉備分封到當時較為蠻荒的漢中、巴蜀一帶為漢中王（漢王），統治漢中郡、蜀郡與巴郡一帶。後來劉備奪取天下之後，因為自己的封號是“漢”，故開創的帝國便以漢為國號，這也是漢朝的由來。
注：秋，群下上先主為漢中王，表於漢帝曰：“平西將軍都亭侯臣馬超、左將軍(領)長史〔領〕鎮軍將軍臣許靖、營司馬臣龐羲、議曹從事中郎軍議中郎將臣射援、1軍師將軍臣諸葛亮、蕩寇將軍漢壽亭侯臣關羽、徵虜將軍新亭侯臣張飛、徵西將軍臣黃忠、鎮遠將軍臣賴恭、揚武將軍臣法正、興業將軍臣李嚴等一百二十人上言曰：昔唐堯至聖而四兇在朝，周成仁賢而四國作難，高後稱制而諸呂竊命，孝昭幼衝而上官逆謀，皆馮世寵，藉履國權，窮兇極亂，社稷幾危。非大舜、周公、朱虛、博陸，則不能流放禽討，安危定傾。伏惟陛下誕姿聖德，統理萬邦，而遭厄運不造之艱。董卓首難，蕩覆京畿，曹操階禍，竊執天衡；皇后太子，鴆殺見害，剝亂天下，殘毀民物。久令陛下蒙塵憂厄，幽處虛邑。人神無主，遏絕王命，厭昧皇極，欲盜神器。左將軍領司隸校尉豫、荊、益三州牧宜城亭侯備，受朝爵秩，念在輸力，以殉國難。睹其機兆，赫然憤發，與車騎將軍董承同謀誅操，將安國家，克寧舊都。會承機事不密，令操遊魂得遂長惡，殘泯海內。臣等每懼王室大有閻樂之禍，有定安之變，夙夜惴惴，戰慄累息。昔在虞書，敦序九族，周監二代，封建同姓，詩著其義，歷載長久。漢興之初，割裂疆土，尊王子弟，是以卒折諸呂之難，而成太宗之基。臣等以備肺腑枝葉，宗子藩翰，心存國家，念在弭亂。自操破於漢中，海內英雄望風蟻附，而爵號不顯，九錫未加，非所以鎮衛社稷，光昭萬世也。奉辭在外，禮命斷絕。昔河西太守梁統等值漢中興，限於山河，位同權均，不能相率，鹹推竇融以為元帥，卒立效績，摧破隗囂。今社稷之難，急於隴、蜀。操外吞天下，內殘群寮，朝廷有蕭牆之危，而禦侮未建，可為寒心。臣等輒依舊典，封備漢中王，拜大司馬，董齊六軍，糾合同盟，掃滅凶逆。以漢中、巴、蜀、廣漢、犍為為國，所署置依漢初諸侯王故典。夫權宜之制，苟利社稷，專之可也。然後功成事立，臣等退伏矯罪，雖死無恨。”
先主上言漢帝曰：“臣以具臣之才，荷上將之任，董督三軍，奉辭於外，不得掃除寇難，靖匡王室，久使陛下聖教陵遲，**之內，否而未泰，惟憂反側，疢如疾首。曩者董卓造為亂階，自是之後，群兇縱橫，殘剝海內。賴陛下聖德威靈，人神同應，或忠義奮討，或上天降罰，暴逆並殪，以漸冰消。惟獨曹操，久未梟除，侵擅國權，恣心極亂。臣昔與車騎將軍董承圖謀討操，機事不密，承見陷害，臣播越失據，忠義不果。遂得使操窮兇極逆，主後戮殺，皇子鴆害。雖糾合同盟，念在奮力，懦弱不武，歷年未效。常恐殞沒，孤負國恩，寤寐永嘆，夕惕若厲。今臣群寮以為在昔虞書敦敘九族，庶明勵翼，1五帝損益，此道不廢。周監二代，並建諸姬，實賴晉、鄭夾輔之福。高祖龍興，尊王子弟，大啟九國，卒斬諸呂，以安大宗。今操惡直醜正，寔繁有徒，包藏禍心，篡盜已顯。既宗室微弱，帝族無位，斟酌古式，依假權宜，上臣大司馬漢中王。臣伏自三省，受國厚恩，荷任一方，陳力未效，所獲已過，不宜復忝高位以重罪謗。群寮見逼，迫臣以義。臣退惟寇賊不梟，國難未已，宗廟傾危，社稷將墜，成臣憂責碎首之負。若應權通變，以寧靖聖朝，雖赴水火，所不得辭，敢慮常宜，以防後悔。輒順眾議，拜受印璽，以崇國威。仰惟爵號，位高寵厚，俯思報效，憂深責重，驚怖累息，如臨於谷。盡力輸誠，獎厲六師，率齊群義，應天順時，撲討凶逆，以寧社稷，以報萬分，謹拜章因驛上還所假左將軍、宜城亭侯印綬。”