由于阳平关地理位置的特殊性，曹军占领阳平关就相当于打开了汉中的西大门，于是汉中岌岌可危，张鲁见状打算就此投降曹操，但是他的部下劝他说：“今日您的处境是被迫投降的，曹军接受了您的投降也会轻视您的，不如先派人抵抗，您先撤退，或许会有转机。”于是张鲁逃往巴蜀，临走时命令部下不要烧毁汉中等地的仓库，他说：“我本来是想要为国家效命的，但是一直没有得偿所愿，我今天离开也是迫不得已，钱财与粮食本来就是国家的，我把它们还给国家。”于是将各种账本加以封存，留给了曹军。

曹军顺利进驻汉中，张鲁在逃亡不久也归降了曹操，官拜镇南将军，封阆中侯，食邑万户。

曹操得汉中后，司马懿建议曹操：“刘备刚得益州，人心未稳，现在他又在江陵与孙权争夺土地，这是我军袭击他的最佳时机，我们占据着汉中，到时大军压境，益州必然土崩瓦解，您一定要早下决断，否则会错失良机。”

谋士刘晔对此也认为，如果不及时乘胜进击，占领蜀地，等到刘备班师回朝安抚民心，就不好攻取了。曹操听后思考良久，说道：“如今我们离开朝廷已经很久了，解决后方的叛乱才是当前任务，既然得到了陇地，就先不要再盼望得到蜀地了，我们先回去吧。”于是留夏侯渊、郭淮、徐晃、张郃等镇守汉中。

正是这个决定给了刘备一个喘息的机会。

建安二十二年（公元218年），在解决了与孙权的问题后，刘备派遣张飞、马超、雷铜、吴兰等人攻打下辩，曹操派遣曹休、曹真、曹洪等人抵抗。第二年，张飞屯兵固山，佯装要截断曹洪后方，但被曹休识破，曹洪突袭吴兰，吴兰、雷铜等战死，马超、张飞于是撤退。七月，刘备占据阳平关，曹操赶忙部署救援，九月抵达长安。

建安二十四年（公元220年），刘备放弃阳平关，南渡沔水，扎营定军山，夏侯渊闻讯赶忙来抢定军山，刘备夜袭夏侯渊，猛攻张郃，夏侯渊亲自率兵解救，与黄忠短兵相接，不敌，被黄忠斩杀，曹军士气大减，人心惶惶，为了稳定局面，张郃暂时统领汉中诸军，三月，曹操率领大军抵达汉中地界，进驻阳平关，刘备占据险要地形，在山上安营扎寨，固守不战，与曹军对峙。

这时的曹操虽然大军在手，但是消耗庞大，不得不将数千囊粮草搬运到北山囤积，并派重兵把守，黄忠与赵云商议决定互相接应前去劫粮，黄忠不慎中了曹军埋伏，赵云将其及部下解救，曹军紧追不舍，追至赵云营前，赵云大开营门，偃旗息鼓，曹军怀疑有埋伏，打算撤退，赵云竟趁机反击，曹军大惊，自相践踏，伤亡惨重。而后刘备开始主动进攻，早已过花甲之年的曹操变得极为被动，节节败退，五月，强迁汉中百姓退出汉中，撤回长安，刘备占领汉中，不久便自称汉中王。汉中之战以刘备胜利而告终。

此时年迈的曹操本来就因为之前损失爱将夏侯渊等人而痛心，接着不久便失了汉中，又一次次损兵折将，爱子又陷于危险境地，考虑再三，打算放弃许都，后来由于谋士司马懿献上妙计，利用孙权刘备之间的矛盾，使孙权击败并斩杀了关羽，这才解了许都之危。

客观的说，之前曹操集团的实力是明显高于刘备集团的，自汉中之战以来，曹操逐渐表现出了大不如前的状态，也许是上了年纪，身体不支，也许是轻敌大意，也许是敌方将领能人太多，总之，汉中之战曹操败了。