刘备向汉中用兵失利之后，曹军也失去主动进攻能力，并且逐步收缩战线，刘备与张郃、夏侯渊对峙于阳平关。

刘备与夏侯渊等在阳平对峙二年多，操军虽有小胜，但战争的主动权，相对来看，却始终在刘备一方。时既至此，曹操逐渐认识到不仅“望蜀”不可能，就是确保汉中，扼住益州咽喉也很吃力，因此还邺两年半几件大事完成以后，又决定亲自率兵出击刘备。

建安二十三年(218)九月，曹操兵至长安。由于他进军迟缓，因此贻误了军机。刘备则积极谋划新的战略战术，并努力争取在曹操到达之前付诸实施。所以，曹操未及到达汉中，刘备已在定军山出奇制胜打败了夏侯渊，取得了关键性的胜利。战争进程大致是这样的：

建安二十四年(219)正月，刘备自阳平南渡沔水(汉水),在宝山扎营，定军山北临汉水，位在今陕西勉县南，东望汉中，是汉中的又一屏障和门户。因此，夏侯渊也派兵“来争其地”,并把主力布防到这里。法正对刘备说，趁其立足未稳可乘势而击之。于是，刘备夜命黄忠乘高鼓噪攻之，“忠推锋必进，劝率士卒，金鼓振天，欢声动谷”;同时派军烧毁夏侯渊军营外围的鹿角，“渊使张郃护东围，自将轻兵护南围。备挑郃战，郃军不利，渊分所将兵半助郃，为备所袭，渊遂战死”。曹操任命的益州刺史赵颢也同时被杀。

定军山一役，曹军惨败，张郃将余部撤到阳平。夏侯渊战死，军中无帅，“军中扰扰，不知所为”,因为“恐为刘备所乘，三军皆失色”。督军杜袭与司马郭淮等毅然共推张郃代为领兵。张郃自建安五年由袁绍归操后，屡建功勋，很有声望。郭淮因对大家说：“张将军，国家名将，刘备所惮；今日事急，非张将军不能安也。"于是张郃代理军主，“勒兵按陈，诸将皆受郃节度，众心乃定”。当时曹操远在长安，得知消息后，肯定了杜袭、郭淮、张郃的临时决策，立即“遣使假郃节”,赋予张郃以军中最高统帅的权力。

夏侯渊之死，曹操深感悲伤与惋惜，因给夏侯渊谥号为“愍侯”。“愍”就是哀怜的意思。史载，曹操很欣赏夏侯渊的勇往直前的精神，但对其缺点也很清楚，所以渊虽然多次取得战功，曹操常告诫他说：“为将当有怯弱时，不可但恃勇也。将当以勇为本，行之以智计；但知任勇，一匹夫敌耳。”夏侯渊没有记住曹操的告诫，致有此败。为此，曹操特作《军策令》以诫全军。其令谈到当时的战斗情况：“夏侯渊今月贼烧却鹿角。鹿角去本营十五里，渊将四百兵行鹿角，因使士补之。贼山上望见，从谷中卒出，渊使兵与斗，贼遂绕出其后，兵退而渊未至，甚可伤。渊本非能用兵也，军中呼为‘白地将军’,为督帅尚不当亲战，况补鹿角乎!”这里反映出曹操爱将之思，同时也反映出他的制将用兵之意，体现了他“督帅不亲战”,以及为将当智勇双全的统兵之策。

从刘备一方说，这次胜利则反映出刘备、法正用兵也确有超过夏侯渊、张郃之处。刘备听从法正的计策，有效地利用了敌军的轻敌思想，捕捉战机，出奇制胜。据载，曹操曾经为此发出赞叹：“曹公西征，闻(法)正之策，曰：‘吾故知玄德不办(辨)有此，必为人所教也。’"又颇有感触地说：“吾收奸雄略尽，独不得(法)正邪。”由此可以看出法正高超的军事才能。

郭淮说得不错，刘备不怕夏侯渊，倒的确有点怕张郃。据《三国志·张郃传》注引《魏略》说：“渊虽为都督，刘备惮郃而易渊。及杀渊，备曰：‘当得其魁，用此何为邪!’"

张邰很快稳定了军心。刘备本打算第二天渡江水乘胜追击，见操军已经安定，恐半济被张邰所击，打消了追击的念头。

定军山一役是刘备北拒曹操的第一次有限战争胜利。战役虽小，意义重大，不失为一个非常重要的转折点，意义深远，第一，它极大地鼓舞了刘备的士气，扭转了将士们的恐曹心理；第二，它是曹操西北用兵、未曾料及的严重挫折，嗣后，他不得不做战略上的调整，由攻势而转为守势，谋取巴蜀的战略终成泡影。