建安二十三年（218年）七月，曹操調集兵馬，親自遠征漢中，增援夏侯淵，這距離劉備兵抵陽平關已經有三四個月了。
曹操之所以沒有立即出發，主要原因是代郡的烏桓人叛亂還沒有平息，他放心不下，直到後來曹彰率部出擊，大獲全勝，曹操才決定出發。
臨出發前，曹操頒布了《遺令》，對自己的後事進行了交代。《遺令》說：「古代埋葬人，一定選擇瘠薄的土地。我死後，可以划出西門豹祠以西塬上一帶為壽陵，借用較高的地勢作為墓基，不建封土、不植樹。根據周禮，可以設置專人看管墓地，諸侯死後可以在左右靠前的地方陪葬，卿大夫在後面，漢制也是這樣陪陵。凡公卿大臣和將領有功的，死後都可以陪葬於壽陵，墓地的範圍可以擴大些，以保證能夠容納那麼多人（其廣為兆域，使足相容）。」
這是一份遺書，大軍出發前突然發布這樣的遺書，給人以不祥之感。以前每次出征，曹操總想方設法鼓舞大家的士氣，而這次卻發布了自己的遺書，是一次特殊的戰前動員，表明自己誓死取勝的決心？還是冥冥之中感應到了什麼？
在漢中那邊，這段時間夏侯淵指揮張、徐晃等部擋住劉備的猛攻，讓劉備沒有太大進展。劉備派部將陳式等去斷絕馬鳴閣道，夏侯淵派徐晃擊之，把陳式打敗。劉備又從廣石發動進攻，張守廣石，劉備攻之不克。
從武都戰役失敗到廣石不利，劉備沒有打過一場勝仗，這一次雖然帶著張飛、趙雲、黃忠、馬超等組成的超豪華陣容，卻連嘗敗績，劉備心有不甘，他急忙寫信給留守在成都的諸葛亮，要求增兵。
其實，劉備把能帶的兵基本上都帶來了，諸葛亮手裡實在沒有什麼富餘的。
據《三國志李嚴傳》記載，益州內部此時也不平靜，馬秦、高勝等人聚眾數萬人在縣叛亂，時任犍為郡太守的李嚴硬是憑藉五千民團（郡士）把他們打敗，斬殺了馬秦、高勝。事情剛平定，越郡的夷人又圍攻新道縣，李嚴馳往救援，把他們打敗。
劉備還有一部分精銳部隊，但此時在荊州，根本分不開身。剩下的幾乎都去打漢中了，劉備要諸葛亮繼續增兵，讓諸葛亮很撓頭。
益州從事楊洪對諸葛亮說：「漢中是益州的咽喉，存亡的關鍵，如果沒有漢中，也就沒有益州了（此家門之禍也），不用多考慮！」
諸葛亮也意識到此戰已無法退縮，再難也要頂上。於是他代表劉備任命楊洪為蜀郡太守，負責辦理徵兵及後勤供應事宜，支援漢中前線。
李嚴當犍為郡太守時楊洪是他的人事處長（郡功曹），現在李嚴仍然是犍為郡太守，而楊洪已升為蜀郡太守，與老領導平起平坐。楊洪當太守後有個秘書（門下書佐）叫何祗很有才幹，楊洪把他推薦出來，何祗升得更快，楊洪還在當蜀郡太守的時候，何祗已升為廣漢郡太守了。
這些不拘一格選人用人的事例，都是在後方主持工作的諸葛亮主導下進行的，益州當地官民對此深表敬佩（西土咸服諸葛亮能盡時人之器用也）。
此時益州全州都進入了臨戰狀態，砸鍋賣鐵、傾盡全部物力和人力支援漢中前線。有了後方的支持，劉備更是下定決心不拿下漢中郡不撤兵。
但是，曹操似乎還沒有完全意識到問題的緊迫性。
七月，他從鄴縣出發，沿黃河西行，先到長安。據《三國志王肅傳》記載，曹操路過弘農郡的時候，聽說獻帝劉協的哥哥、弘農王劉辯死後埋在這裡，想到墳前弔唁。弘農郡本地人、擔任黃門侍郎的董遇進諫道：「根據《春秋》大義，即位不滿一年就死去的國君還不能稱為君，弘農王在位時間很短，又被暴臣董卓挾持，最後降位為藩王，不應該拜謁。」曹操認為說得有理，於是作罷。
九月，曹操率大軍才走到長安，總共就一千來里地卻走了兩個月，這個速度太慢了。
這時，曹操接到合肥方面送來的報告，說右將軍樂進因病去世，曹操聽後十分難過。樂進從曹操己吾起兵時就跟隨他，算是曹家軍的創始人之一。這個小個子從曹操身邊的警衛員（帳下吏）干起，最終成長為曹軍的高級將領，他作戰勇敢，有謀略，是一個難得的素質全面的大將。
曹操下令追贈樂進謚號為威侯，爵位由其子樂繼承，樂後來官至揚州刺史，在淮南之叛中被殺。奇怪的是，曹操到了長安似乎又停留了二三個月左右，原因不詳，但也就是這要命的二三個月，前線的形勢發生了無法挽回的逆轉。
劉備在陽平關一線做了多次嘗試性攻擊，但都沒有進展，後來自己的援軍陸續到達，士氣有所振奮，到建安二十四年（219年）正月，劉備終於有了收穫，前鋒越過了陽平關，沿著漢水河谷向前推進了一段距離，到達定軍山下。
前面介紹過，漢中的核心地帶是一塊由漢水河谷擴展開的盆地，四周都是高山，重要的城鎮幾乎都在漢水兩岸。陽平關是這塊盆地的西大門，它坐落於漢水之上。
也就是說，從陽平關沿著漢中往前，可以到達漢中郡的中心城市南鄭，但在到達那裡之前還會遇到一處屏障，就是定軍山。
定軍山位於漢水之南，今陝西省勉縣城南十餘里處，屬大巴山脈，與漢中盆地周邊的深山大川相比，它海拔並不很高，主脈是由十二座東西綿延的山峰組成，總長約二十多里，其最高處海拔不過八百多米，由此再往東，就是平川了。
也就是說，定軍山雖然是一道屏障，但卻並不是特別險要，劉備率軍攻到這裡，曹軍就危險了。
夏侯淵一看定軍山被占，急忙來搶，雙戰展開激戰。
劉備發動夜襲，燒了曹軍營壘的鹿角，這時候夏侯淵駐守在西邊的營寨，張駐守東邊的營寨，劉備集中力量攻擊張，張有點頂不住了，夏侯淵把自己這邊的守軍分出一半增援張，可這樣一來就出大事了。
據《三國志法正傳》記載，夏侯淵是親自率兵來增援張的，法正看到後，覺得機不可失，建議劉備猛攻，不惜一切代價直取夏侯淵。劉備命黃忠擔任主攻，咬住夏侯淵的增援部隊不放，一陣猛打猛衝，曹軍大敗，征西將軍、博昌侯夏侯淵居然戰死沙場！一同戰死的，還有曹操任命的益州刺史趙。
曹操以前經常告誡夏侯淵說：「作大將的也有該示弱的時候，不能一味恃強鬥狠。為將者應該以勇為本，以智取勝，有勇無謀只不過是一介匹夫罷了（為將當有怯弱時，不可但恃勇也。將當以勇為本，行之以智計；但知任勇，一匹夫敵耳）。」而夏侯淵的戰死，正好印證了曹操的話。
《曹操集》中有一篇《魏武軍策令》，也說到了這場戰鬥。根據這篇軍令的記載，當時的戰鬥情形是這樣的：敵人燒毀了曹軍的鹿角，但這些鹿角離大營有十五里。夏侯淵居然獨自帶著四百兵去修補鹿角，敵人在山上看到了，於是從山谷中殺出，夏侯淵親自參加戰鬥，最後戰死。
曹操認為夏侯淵在此戰中犯了指揮上的錯誤，像夏侯淵這樣擔負整個戰場指揮重任的大將，不應該親自參與戰鬥，更何況修補鹿角這樣的小事了。
曹操以後把這件事寫進軍令里向全軍通報，可見他對定軍山之敗很介意。在這篇軍令里，他甚至說出了重話，稱夏侯淵本來不擅長帶兵，軍中呼之為「白地將軍」（淵本非能用兵也，軍中呼為「白地將軍」）。雖然夏侯淵已經死了，但曹操仍然沒有原諒他。
夏侯淵是整個西線戰場的總指揮，相當於元帥級的人物，他的猝然戰死，讓曹軍上下無不震怖（三軍皆失色），大家惶恐不已，不知道該怎麼辦。
原丞相府秘書長（丞相長史）杜襲此時在漢中任督軍，曾在曹丕五官中郎將府擔任過治安處處長（門下賊曹）的郭淮此時在夏侯淵軍中當司馬，他們二人收斂散卒，號令全軍說：「張將軍是國之名將，劉備也有所忌憚。現在事情很緊急，非張將軍不能主持大事。」
杜襲和郭淮共推張為臨時統帥，張重新調整了部署，安好營寨，大家才稍稍安定下來。劉備想趁夏侯淵戰死一鼓作氣拿下漢中，第二天指揮人馬渡過漢水來攻營，大家都認為此時敵眾我寡，士氣也不如對手，不如在漢水邊修築工事抵擋，不讓敵人渡河。
郭淮不同意這種看法，他認為：這是向敵人示弱的做法，無法挫敗敵人。不如在離漢水遠一點的地方列陣，誘使敵兵渡河，等他們渡過一半再突然發起攻擊（半濟而後擊之），劉備必然可破。
張採納郭淮的建議，遠遠地列陣於漢水北側。劉備看到果然生疑，不敢渡河。
在張的主持下，曹軍暫時穩住了陣角，避免全線潰敗。他們堅守在漢水北岸，等待援軍的到來。