漢中郡隸屬於益州刺史部，其郡治在南鄭縣（今陝西南鄭），曹軍此次的進軍路線是由陳倉故道向南，過大散關、陽平關，直驅南鄭。曹操四月份到達大散關，但直到七月份才來到陽平關，除了路道崎嶇難行之外，平息氐人的叛亂也是行動遲滯的原因之一。
氐人世居於秦隴、巴蜀一帶，與羌族雜居，所以又有「氐羌」的稱呼。氐人有自己的王，東漢末年主要聚居於武都郡，即漢中郡的西鄰，屬曹魏新置的雍州刺史部管轄。
就在曹操南下漢中的時候，氐王竇茂突然起兵反叛，他們聚集一萬多人，峙險不服。曹軍如果繼續南下，氐王就如同頂在背後的一把刀，這不是個小事。
所以，在四月至七月的這一段時間，曹操主要解決氐人的問題，他派張郃、朱靈率所部在雍州刺史張既的配合下攻打氐王。竇茂退守河池（今甘肅徽縣），曹操下令猛攻，五月份將河池攻破，曹操下令屠城。
竇茂的覆滅，對雍州刺史部其餘仍在割據中的各路勢力形成了威懾，也就在這時候，盤踞在西平、金城一帶的、蔣石等人斬殺了韓遂，把首級送給了曹操。據《典略》記載，老牌軍閥韓遂起兵共三十二年，死時已七十多歲。
據《魏略》記載，除了氐人之外，曹操還解決了佔據於此的劉鳴雄部。這個劉鳴雄是關中地區的藍田人，郭汜、李作亂關中時隱入山中，很多人跑來依附他，馬超叛亂時也來拉攏他，但他沒有參加。曹操入大散關路過此地，劉鳴雄前來拜見，曹操很高興，對他說：「我剛進關，就夢到一個神人，該不會就是你吧？」於是拜他為將軍，讓他召集部眾，隨同大軍行動。
劉鳴雄的手下卻不願意歸降曹操，他們劫持劉鳴雄造反，很多人前來依附，人數有數千人之眾，他們佔據武關道口。曹操派夏侯淵前往討伐，劉鳴雄等人逃入漢中。
解決了這些問題，曹操南下再無後顧之憂。在武都郡曹操召見了太守蘇則，對他的工作表示滿意，讓他帶人擔任大部隊的嚮導（太祖征張魯，過其郡，見則悅之，使為軍導）。
這時麥子已經成熟，張既、蘇則等人組織民眾就地收穫小麥，加上從關中調來的糧食，軍糧供應不成問題，這也是曹操從合肥撤軍急著發兵漢中的原因，他要趕上小麥成熟的季節，以保證軍糧供應。
但軍糧運輸的難度很大，為此曹操命令河東郡太守杜畿徵調一支五千人的運輸隊負責前線運輸。杜畿治理河東郡有方，受到過曹操的嘉獎，上次潼關會戰杜畿在後勤保障方面已經做出過重大貢獻，這次五千人長途跋涉遠離家鄉，大家士氣很高，都互相勉勵：「人都有一死，寧死也不能辜負杜太守（人生有一死，不可負我府君）。」這支運輸隊竟然沒有一個人逃亡。
除了杜畿外，曹操任命的長安特別市市長（京兆尹）鄭渾也參加到支援前線的工作中，事後也受到曹操的表彰。
曹軍繼續行進，曹操命令張率五千步兵在前面開道，於七月份到達陽平關前。
陽平關位於今陝西省勉縣境內，是漢中的西大門，它北面是秦嶺，南臨漢水和巴山，處於陳倉故道和金牛道的交匯處，這兩條古道一條是關中南下漢中的必經之路，一條是漢中入川的必經之路，陽平關處於其結合部，可見地理位置之重要。
現在寶雞到成都有一條寶成鐵路，寶成鐵路到陝南向右有一條支線，通往漢中、安康，這兩條鐵路的交匯處就是陽平關火車站。
據《魏名臣奏》記載，還在武都郡的時候，曹操曾向當地人詢問過陽平關一帶的地形，有人告訴他陽平關地勢一點都不險要，關前的南北兩山相距很遠，不容易守住。但到了陽平關，曹操一看完全不是那麼回事，不由得感嘆道：「別人轉述的，未必都是真實情況呀（他人商度，少如人意）。」
聽說曹操親率大軍到達陽平關，張魯自知不是對手，準備投降，但是遭到其弟張衛的反對。
張魯於是派張衛以及楊昂等人率兵數萬，在陽平關前橫著築石城十多里，攔住曹軍的進攻。曹軍大約有十萬人，張魯軍大約三萬人，但在這樣的地理條件下，人多並不是最有利的因素，由於地勢險要，易守難攻，曹軍死傷慘重。
曹操感嘆道：「打了三十年的仗，還沒有這樣受制於人的（作軍三十年，一朝持與人，如何）。」
曹操決定撤兵，但是奇蹟發生了。據《魏名臣奏》記載，曹操下令夏侯、許褚所部退兵，但在他們撤退過程中夜裡誤入敵人兵營，敵人不知究竟，還以為曹軍攻營得手，竟然四散敗走。
當時侍中辛毗、劉曄等人隨軍行動，他們趕緊告訴夏侯、許褚，說已經佔領了敵人的要塞。夏侯、許褚不相信，親自察看，確認果然是真的，回來報告曹操。
《世語》也記載了一件類似的事，說兩軍決戰的關鍵時刻，突然不知從哪裡竄出來數千隻麋鹿，沖入張衛大營，張衛軍營夜驚。恰在此時，曹操手下的高祚等離此不遠，高祚吹響鼓角，召集其他友軍。張衛大懼，以為這都是曹軍預謀好的攻營戰術，於是投降（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）。
陽平關就這樣稀里糊塗地被攻下了，在南鄭的張魯見已無險可守，也想投降，但他手下的人事處長（功曹）閻圃勸他投降可以，但不要這麼輕易就降。
閻圃認為：「現在就這麼投降了，必然沒有什麼分量（今以迫往，功必輕）；不如先投奔杜和朴胡，然後看情況再說，到那時再投降功勞也大些。」
張魯於是帶領一部分人南入巴中。巴中即巴郡，在漢中郡之南，屬益州刺史部，大巴山地區多在其內，包括今天四川省和重慶市所轄的萬縣、達縣、南充等地，杜和朴胡是當地部族首領。
臨走前，有人建議搞一些破壞，把倉庫等設施燒毀，不留給曹操。張魯不同意，他說：「本來打算歸順朝廷，現在離開是暫避鋒芒，沒有惡意，倉庫里的東西都歸朝廷所有。」張魯讓人貼上封條，然後才走。
曹操到了南鄭，果然對張魯的做法很高興，他得知張魯有歸降的本意，就派人到巴郡尋找張魯，勸他投降。
這一年的九月，巴郡地區的部族首領朴胡、杜率部出降，曹操下令分巴郡為巴西郡和巴東郡，任命朴胡為巴東郡太守，杜為巴西郡太守，都封為列侯。
十一月，張魯率家屬從大巴山出來投降，曹操以天子的名義拜張魯為鎮南將軍，封閬中侯，食邑一萬戶，封張魯的五個兒子以及閻圃等人為列侯。
據《典略》說，當初馬超逃往益州，沒有來得及帶上妻子董氏以及兒子馬秋。現在董氏和馬秋都到了曹操手上，曹操把董氏賜給閻圃為妻，把馬秋交給張魯處理，張魯很恨馬超，親手把馬秋殺了。
張魯親手殺了馬秋，還有向曹操表示忠心的意思，說明他與馬超已成不共戴天的仇人，讓曹操放心。
馬超走得確實很匆忙，他把部將龐德也留在了張魯處。張魯失敗後，龐德率部投降。曹操早就聽說龐德作戰勇猛，便拜他為立義將軍，封關門亭侯，食邑三百戶。龐德從此忠心耿耿追隨曹操，至死不渝。
漢中攻破，前面那個逃到漢中來的劉鳴雄走投無路，再次投降曹操，曹操看到劉鳴雄，一把拽住他的鬍子說：「老傢伙，這回又抓到你了（老賊，真得汝矣）！」曹操恢複了他的職務，把他遷到渤海郡。
建安十六年（211年）與馬超一同在關中作亂的程銀、侯選等人各率一千餘家此時也逃在漢中。漢中攻破後，他們出來投降曹操，曹操既往不咎，仍然恢複了他們的職務。
曹操對張魯等人封賞都很重，原因並不像閻圃說的那樣，而是曹操考慮到張魯祖孫三代在漢中統治時間很長，又有一套「五斗米教」相輔助，在漢中影響很大，只有尊崇張魯，才能得到漢中的人心，鞏固漢中的統治，為進圖益州作長遠規劃。
此時益州已被劉備佔有，就在張魯南入巴郡的時候，黃權曾向劉備建議：「如果失去漢中，則巴郡不可保，等於失去了益州的一條臂膀。」劉備於是任命黃權為護軍，督率就近的各軍前往巴郡，迎接張魯。可是晚了一步，張魯投降了曹操。
黃權轉而攻擊曹操新任命的巴中太守朴胡、杜等人，曹操命張率部趕往巴中進行支援，劉備也派張飛支援黃權。張與張飛戰於巴中，雙方相持五十多天，張飛打敗了張，張撤回南鄭。劉備任命張飛為巴西郡太守，三巴地區的大部分地區便歸了劉備所有。所謂三巴，習慣指巴郡、巴東郡和巴西郡。
這時，擔任丞相府辦公室主任（丞相主簿）的司馬懿向曹操建議：「劉備以騙術取得益州，蜀人未必肯服，此時他們與孫權為荊州的事相爭於江陵，這是一個機會。如今攻克漢中，益州震動，進兵攻之，益州必然瓦解。聖人說過，做事不違背天命，但也不能失去時機呀。」
司馬懿的建議並非沒有道理，劉備得益州後，孫權趁機索要借出去的南郡等地，孫劉聯盟出現