为了尽管解决汉中的僵持局面，刘备于是便在建安二十四年（219年）二月，做出了一个非常大胆的决定——亲自率一支部队沿狭窄的金牛道，向南渡过汉水，再冒险的翻越米仓山西北段，绕到阳平关的背后，找夏侯渊决战。夏侯渊听说刘备绕到了自己身后，并在定军山设下大营，做出与自己决战的态势后，感到莫名的紧张。他有点坐不住了。
于是他紧急把张郃从广石前线调回，与自己一起出阳平关，跟刘备在定军山下决战。刘备听说夏侯渊亲自来了，很是谨慎，他没敢立即下山迎战，而是依山固守，跟夏侯渊相持起来。按照刘备的设想，他在定军山上，夏侯渊只能仰攻，他居高临下，握有主动权。夏侯渊拿不下定军山。事后的发展果然如刘备所料，夏侯渊拿不下定军山，就在山下修鹿角作围（鹿角就是一种带刺的防御栅栏），以防刘备军居高临下攻他。
不过战争打到这里，刘备仍然是被动的。因为前面已经说过了，刘备从成都到汉中，补给线一千多里。并且阳平关也掌握在曹军手上，刘备的大军被挡在关下。刘备他是带了一支偏师在定军山与夏侯渊决战，这个举动是非常冒险的行为。如果这一战败了，他的大军就崩了。远在长安的曹操知道前线的这一情况，并且根据前两战取胜的经验，曹操产生了一种错觉判断，他认为刘备跟孙权一样，都是个鼠辈。
并且曹操还认为，刘备从成都攻汉中的后勤补给线太长，以刘备的实力来说，打汉中是得不偿失。基于这两点判断，曹操对刘备的行动也就没太当回事。认为刘备此次进攻汉中也就是挠痒痒之举，用不了多久就会自己撤退。他也没往汉中派增援。然而曹操没有想到（刘备也没想到），夏侯渊这个棒槌在关键时刻做出一个错误决定。什么决定呢？刘备见夏侯渊和张郃在山下修围栏，就派人去烧围栏。
夏侯渊见围栏着火，就命人挑水去灭火。刘备见魏军大乱，就派人去袭击张郃，打的张郃军心大乱。夏侯渊见张郃军心大乱，害怕张郃被打垮了，自己就被蜀军包圆，于是他就分出一半的兵力去救张郃，结果他这一分兵，就完蛋了。当时刘备军的头号智囊法正在山上发现魏军居然分兵了，便瞅准机会，建议刘备派出一支精兵奇袭魏军（按三国志的记载，这支精兵的统帅是黄忠）。
当这支精兵下到山下后，居然意外发现身为统帅的夏侯渊正带着士兵救火。然后这支刘备军也不客气，直接冲进曹营，把正在忙于救火的夏侯渊砍死了。备夜烧围鹿角。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。——《三国志·夏侯渊传》当曹操听说夏侯渊被斩后，整个人当场就愣住了。
他是千算万算，就是没有算到夏侯渊会如此愚蠢。遂即，他亲点大军进入汉中与刘备决战，准备夺回汉中。然而，曹操是老糊涂，他亲自出马，居然犯了一个巨大的错误——与刘备对峙时，把自己的补给线暴露在了刘备眼皮子底下。由于汉中供养不起曹操大军的粮草，所以曹军的后勤要从关中运来。而时间紧，曹军的粮草只能从褒水走河道，然后再从褒水转汉江，最后再运到前线的。
这样的运粮路线，刘备把汉水河道切断，曹操就断粮了。后来事态的发展果然如此，刘备自己在定军山上吸引曹操，另派黄忠、赵云袭扰曹操在汉水上的补给船。耗了一个多月，曹军的军心士气大大降低。曹操为了尽快拿下定军山，及早班师，便令人强攻。结果曹军强攻不克，死伤惨重。军心士气跌入谷底。军心问题是会传染的，并且关羽在荆州，孙权在淮南，都有相当多的机动兵力。
如果曹操久在汉中对峙，其它战场的不可控因素太大。若因汉中而丢襄阳或淮南，这就得不偿失了。于是，曹操赶紧下令撤军，十多万百姓和十多万魏军如同丧家犬一般，赶在刘备主力进入阳平关前，火速撤离了汉中。以上就是曹操失汉中的大致过程。从这个过程可以看出，曹军全程占据主动权，即便刘备斩了夏侯渊，反客为主进入汉中，曹操也依然有主动权。
