徐晃、朱靈到達黃河西岸後，鞏固了黃河上重要渡口蒲阪津，保證了曹操率主力到達此處後能順利渡河。
這時，雲集於此的曹軍多達數萬人，一個較為致命的問題隨即出現，那就是道路狀況很差，很難滿足這麼多士兵、馬匹、後勤運輸車輛來回調動的需要。時至今日，黃河兩側的陝西、山西一帶仍然存在交通不暢的問題，原因是黃河及其眾多支流把這一帶劈成了溝壑縱橫的模樣。
複雜的地理環境，為關中聯軍派出小分隊不斷襲擾曹軍創造了條件，尤其是曹軍的運輸隊最容易遭到襲擊。
為了解決這個問題，曹操命人短時間內在黃河西岸一側築起一條甬道來。所謂甬道，就是在路的兩邊築起牆來保護道路的安全，是一種全封閉的道路。甬道本來是皇帝的特權，是保證皇帝出行安全用的，但也有運用於戰爭的先例。楚漢相爭期間曾激戰於滎陽附近，劉邦為了保證能源源不斷從敖倉運出糧食，專門修了一條甬道。
但是現在軍情緊急，築牆肯定來不及了，據《三國志》記載，曹操下令修建的這條甬道，中間用樹枝做成連續不斷的柵欄，將各式車輛鏈接起來（連車樹柵以兩面），也算是對「甬道戰」的一種創造性運用吧。
這一招還真管用，抵擋住了敵人的襲擊，最後大軍順利推進到渭口，即渭河與黃河交匯處。
曹軍主力在渭河北岸，馬超等關中聯軍在渭河南岸。曹操率軍繞了一個大圈，費盡九牛二虎之力又繞回到原處，但這一回情形完成不同了，他們繞到了潼關的後面，關中聯軍控制的天險已經派不上用場了。
兩軍隔渭河而對，曹操派人乘船渡渭河，並在渭河上架起浮橋（潛以舟載兵入渭，為浮橋）。一天夜裡，通過浮橋運兵過河，分兵在渭河南岸紮起營寨。
關中聯軍在失掉潼關天險之後，又失去了渭河防線。
馬超一看急了，趕緊組織反擊，夜裡攻營，但曹軍早有準備，將敵人擊潰。曹操趁勢將全部人馬拉到渭河南岸，與關中聯軍對壘。
據《曹瞞傳》記載，在曹軍渡河過程中，馬超指揮人馬拚命阻擊，剛渡過河的曹軍甚至來不及紮營。這一帶地處渭河入黃河口，渭河帶來的泥沙長年堆積，使這裡的土質特別疏鬆，多沙地（所以這裡適合種西瓜，一直到現在陝西大荔一帶的西瓜都很有名），不利於就地築營。
這時是農曆九月，天氣很寒冷，曹操採納手下謀士婁圭的建議，用沙土築城，一邊堆沙一邊澆水，水結冰再澆水堆沙，一夜之間堆出一座座「冰營」來。
對於這個記載有人表示懷疑，因為農曆九月似乎還不能滴水成冰。這種懷疑忽略了建安十六年（211年）閏八月這個細節，也就是這一年有兩個八月，農曆九月相當於平常時候的十月，滴水成冰是完全可能的。曹軍渡過渭河後，馬超多次前來挑戰，曹操不理，為的是挫一下馬超的銳氣。果然，馬超拿「冰營」沒辦法，於是請求割地求和，同時願意送兒子做人質，以表忠心（求送任子）。
但這已經晚了。曹操已經完成了對關中聯軍的攻擊部署，如今是大軍壓境，關中聯軍一方人心惶惶，此時要麼一戰，要麼無條件投降，任憑曹操發落。馬超沒有了談判的本錢，還說什麼割地求和？
但是賈詡向曹操建議，不如假裝答應他們（詡以為可偽許之）。曹操問賈詡答應之後怎麼辦，賈詡只說了四個字：「離之而已。」曹操立刻就明白了。
所謂「離之」，就是離間他們，賈詡和曹操都看到了馬超、韓遂之間的不合，決定就從這裡做文章。
雙方同意見面詳談，聯軍一方只有馬超和韓遂，曹軍一方由曹操率許褚前往，約好都不帶隨從。
馬超認為這是個機會，他是有名的虎將，想憑藉勇力突然襲擊曹操（超負其力，陰欲前突太祖）。但當他準備動手時，突然發現曹操背後有一個大漢，正直勾勾地盯著他看，目光逼人，充滿殺氣。
馬超不禁吃了一驚，他早就聽說曹操身邊有個叫許褚的人，力大無比，勇猛異常，難道就是他（超素聞褚勇，疑從騎是褚）？馬超問曹操：「聽說您手下有個虎侯，不知道現在何處？」曹操回頭一指許褚，說這就是我的虎侯。馬超想了想，再沒有輕舉妄動。
許褚勇冠三軍，比已經戰死的典韋有過之而無不及，軍中給許褚起了個外號，叫做「虎痴」，許褚被封為關內侯，因此又有「虎侯」的美譽。
後來，雙方又進行了一次陣前交談，不知何故這次只有韓遂前往，沒有馬超。據《三國志》記載，韓遂的父親跟曹操是同一年舉的孝廉，有點類似後世同一年中進士的被稱為「同年之誼」，當時全國一年被推舉的孝廉最多也不過幾十個人，這也算一種緣分。而韓遂本人是朝廷正式任命過的征西將軍，跟曹操算是同僚關係（公與遂父同歲孝廉，又與遂同時儕輩），因為這個原因，雙方會談的氣氛相當融洽。
曹操跟韓遂越走越近，兩匹馬不知不覺中走到了一塊兒，兩人聊了很久（交馬語移時）。他們的談話沒有切入正題，而是敘了些舊事家常，說得高興處，還拍手歡笑。
據《魏書》記載，為保證曹操的安全，曹軍士兵在倆人談話的區域之外放置了很多木頭做的障礙物（木行馬），這樣其他人只能在很遠的地方看到他們而聽不到他們具體說些什麼，但能看出來他們談得很投機。
那時，天下沒有不知道曹操大名的，包括從涼州來的少數民族士兵也是一樣，但見過曹操的卻很少，他們都想近距離看看曹操長得什麼樣。見此情形，曹操高聲對關中聯軍將士開玩笑道：「大家想看我曹操嗎？我也是人呀，並沒有四隻眼睛兩張嘴，只不過智慧多一些罷了（汝欲觀曹公邪？亦猶人也，非有四目兩口，但多智耳）！」現場將士大笑，不像是準備廝殺，倒像是明星來開演唱會。
韓遂不知道，這正是曹操的計謀，而這個計謀的發明人還是他自己。十六年前，大體上也是在關中地區，韓遂用陣前拉家常這一招讓李和樊稠翻臉，導致樊稠被殺。當時的那一幕，賈詡有可能就在陣前觀看。
現在，曹操好比是韓遂，馬超和韓遂好比是當年的李和樊稠，招數不在於是否新鮮，實用就行。以賈詡的機敏，臨時克隆了這一招，反過來給韓遂用上，而韓遂還被蒙在鼓裡。
果然，馬超中計，韓遂一回來他就追問跟曹操在陣前談了些什麼，韓遂想了半天，實在想不出來談過什麼正經事，於是老實回答說沒談什麼，但這讓馬超更起了疑心。
曹操又不失時機地加了一把火，他給韓遂寫了封信，故意在信上塗塗改改，讓人看了像是韓遂改的（公又與遂書，多所點竄，如遂改定者），曹操又故意讓這封信落入馬超手中，馬超看了疑上加疑。
通過這幾招，曹操把關中聯軍內部搞得互不信任，草木皆兵，沒有信心再與曹軍決戰了。曹操感覺火候差不多了，於是下達了總攻擊令。
總攻擊開始前，曹軍先以小股部隊進行襲擾，反覆衝擊，使敵人疲於應對（先以輕兵挑之，戰良久），之後，以虎豹騎為主力，突然縱兵殺出，將敵人打敗。
成宜、李堪等人被斬於陣前，韓遂、馬超率殘部逃到涼州，楊秋逃到安定，程銀、侯選逃到漢中。後來曹操征張魯，漢中被攻破後程銀、侯選投降。
至此，關中宣告平定。
此戰是曹操高超軍事指揮藝術的集中體現，表明此時的曹操在用兵上已達到爐火純青的境界。他從戰略層面考慮，先放慢攻擊節奏，故意讓敵人集結，以達到一戰全殲的效果；之後巧用疑兵，又及時分兵，關鍵時候上演了離間計的好戲，讓敵人節節退縮，從內部開始瓦解；到決戰之時，敵人實際上已經喪失了拚死抵抗的決心。