刘备军驻扎阳平关，直接对曹操构成威胁，曹操如芒在背，必欲除之而后快，于是在建安二十四年(219)三月，自长安经斜谷出兵。斜谷道险，曹操恐被刘备截击，先以先遣部队抢占要害之地，然后大军续进。刘备这时的胆子已经大起来，所以当知曹操驱兵前来，满有把握地对担负狙击任务的将领们说：“曹操虽来，无能为也，我必有汉川矣。”据载，“及曹公至，先主敛众据险，终不与交锋”。有过一些小的战斗，刘备军队大都取得胜利。

史载，“夏侯渊败，曹公争汉中地，运米北山下，数千万囊。黄忠以为可取，云兵随忠取米。忠过期不还，云将数十骑轻行出围……值曹公扬兵大出”,赵云“前突其阵，且斗且却”。魏兵追至营下，赵云入营，“更大开门，偃旗息鼓”,魏兵怀疑有埋伏，不敢攻营而退。赵云“雷鼓震天，惟以戎弩于后射公(曹操)军，公军惊骇，自相蹂践，堕汉水中死者甚多”。

曹操与刘备对峙一个月左右，未能取胜，军心浮动，死伤不少，逃兵越来越多，曹操观形势、察地理、度兵力，知道汉中很难保住，欲进不能，欲还可惜心中极其矛盾，但最后终于作出了正确的决策：“引出汉中诸军还长安”。值日军官请示当晚口令，曹操随口说“鸡肋”。史载：“时王(曹操)欲还，出令曰‘鸡肋’,官属不知所谓。主簿杨修便自严装(整理行装),人惊问修：‘何以知之?’修曰：‘夫鸡肋，弃之如可惜，食之无所得，以比汉中，知王欲还也。’"

曹操三月出兵汉中，五月还长安，来去匆匆，前后只有两个多月时间。自此以后，汉中便成了刘备的地盘而不复魏有了。

曹操撤兵之后，大幅度后退，把防线建在汉中与关中之间的交通要冲、历代兵家必争的陈仓(今陕西宝鸡东)。这一决策虽然是防御性的，但却是很正确的。因而，有效地扼住了刘备、诸葛亮前进之势，从此以后蜀军的实际控制始终未能超过陈仓一线。

刘备既得汉中，触角很快向东西两方伸展。西北方面推进到武都，以利掌握氐、羌，北谋凉州，东据曹操。史载，曹操决定撤军后，知道武都难保，即派曹真至武都迎曹洪等军还屯陈仓，并接受了张既的建议，派张既到武都迁徙氐王之五万余落出居扶风、天水界。徙民实边、屯田戍疆，一切都为了战争，这是曹操终生不渝的原则。对于刘备来说，自然也比较容易地取得武都地区，但他得到的几乎是一片空地，曹操徙民那一招的确很东汉矛厉害。

东面则遣宜都太守(治今湖北枝城)孟达从秭归北攻房陵(今湖北房县)。法正随刘备回蜀，刘备因令孟达兼领法正的部属，屯江陵。刘备平蜀以后，以孟达为宜都太守。孟达趋军北上，斩房陵太守蒯祺，并将率兵进攻上庸(今湖北竹山县西南)。据载，刘备“阴恐(孟)达难独任，乃遣(刘)封自汉中乘沔水下统达军，与达会上庸”。上庸太守申耽知难抵抗，举众投降，“遣妻子及宗族诣成都。刘备任命申耽为征北将军，领上庸太守、员乡侯如故；以耽弟(申)仪为建信将军、西城太守；迁(刘)封为副军将军”。唯孟达没有得到封授。

曹操退兵之后，刘备把原属凉州的武都郡和本属曹操所置荆州的新城(治今湖北房县)、上庸、魏兴(西城，治今陕西安康)三郡纳入自己的版图以内，蜀势大盛。