建安十六年（211年）三月，曹操派遣钟繇、夏侯渊率领军队出河东，试图经过马超等凉州军阀的领地进攻汉中张鲁，以马超、韩遂为首的关西军阀都怀疑曹操要攻打吞并凉州。马超料到这是曹操的假道灭虢之计，利用自己在关中西北的政治威望，联合凉州诸将起兵反抗曹操。率领十万人马（包括曾经击败斩杀李傕的张横、梁兴、安定的杨秋、河东的侯选、程银、李堪、马玩、成宜）推举韩遂为都督，屯聚于渭河、潼关，建列营寨。
曹操派遣曹仁率领夏侯渊、钟繇等前往拒守，因为忌惮精悍的关西兵，曹操下令让诸将坚壁固守，不要擅自进攻，等待曹操大军的支援。据《魏略》记载，起初，马超为了拉拢韩遂一起反曹时，为了尽量拉拢，凉州第一势力的韩遂，对韩遂说过“之前司隶校尉钟繇，让我进攻吞并韩将军，关东人的话不能再相信了，现在为了抵抗曹操吞并我们，我决定放弃父亲，以韩将军为父亲，韩将军也应当放弃儿子，以超为儿子”韩遂也对反对自己的女婿阎行说：“关中诸位将领不谋而合，似乎是上天安排的。
期间还曾拉拢刘雄鸣势力，但遭到拒绝，被马超率兵击破，投靠了曹操。七月，曹操率领中原大军亲自西征，与马超联军在潼关夹关对峙。八月，曹操从潼关北渡黄河，派遣徐晃、朱灵等率领四千人夜渡蒲阪津，马超知道后，派遣梁兴率领五千兵进攻徐晃，但被徐晃击退，徐晃占据河西设立营寨， 曹操亲自率军从潼关北渡，前队刚过，曹操和许褚以及虎士百余人断后，马超突然率领步骑万馀杀到，全军大乱，但曹操仍然坐在胡床上不起身。
许褚、张郃等将领，见事情紧急，将曹操架起带出船中，急忙渡河，马超率领骑兵在后边追边射，箭如雨下，曹操几乎丧命。曹操部下虎卫军许褚一手用马鞍挡箭，一手撑杆，拼死救出曹操。曹操帐下校尉丁斐在河岸放出大量牛马，马超的士兵顾不得乘胜追击，跑去抓奔跑牛马，马超控制不住，（这就是《后出师表》中：曹操殆死于潼关）曹操因此才得以成功渡河。
曹操手下将领见兵败，又不知道曹操在哪，都非常的惶恐害怕，到后来见到曹操，心情有的悲伤有的惊喜，还有的都吓哭了。曹操却大笑说："今天差点被小贼的困住了！"据《山阳公载记》记载，曹操军驻扎在蒲阪，想要西行渡河，马超听说后对韩遂说：“可以在渭河北岸据守，不到二十天，河东粮食用尽，敌军便自行撤军了。”但是被韩遂的“半渡击之”的计谋代替。
曹操后来听闻了马超的计策后，感叹：“马超小儿不死的话，我恐怕连葬身的地方都没有了”。九月，曹操遁过渭河作甬道到渭南。马韩联军失去战略要地，只能退守，拒兵屯在渭口，曹操却多次设疑兵，用船载兵偷偷潜入渭河，做成为浮桥，到一天夜里，曹操分兵在渭南结营。联军趁夜攻击兵营，曹操设置伏兵击破马韩联军偷袭。于是马超等人屯兵在渭南，遣送信件，请求割河西一带和谈，但曹操不答应。
在楼圭泼水筑冰城的计策下，曹操大军得以分批渡过渭水，马韩联军数次挑战，曹操只是不应战，联军只能请求割地，送人质请和。曹操采取贾诩的计策，假装答应，然后在阵前和韩遂谈言欢笑，让联军猜疑韩遂，曹操又写了一封涂改伪招安信给韩遂，离间关中联军，导致了关中联军的军阀们相互猜疑。曹操趁此机会发动攻击，在渭南一带发动大决战，联军大败，成宜、李堪等战死。
潼关大战后，总计军民死伤数以万计，曹操也后悔没有听卫觊的话，逼反关中诸将。据《江表传》记载，期间马超韩遂在与曹操当面谈判时，马超自负其勇力绝人，在马前放置六斛米囊，骑马来回奔走，用斛米测量曹操的体重，想要暗中偷袭擒捉曹操，但听说曹操的护卫许褚，勇猛过人，所以放弃了这个想法。曹操不久后知道，心有余悸，说：“差点被狡猾的贼人所欺凌。
”马超、韩遂再次派使者送信给曹操，想割河西之地请和，但曹操不同意，马超于是退兵回到了凉州上邦，郡人任养率自己的部众迎接马超。曹操追兵到安定后，因为河间有人反叛，于是撤军回东边，当时作为使节的杨阜劝说曹操：“马超有韩信、英布那样的勇略，又深得羌人、氐人的拥戴，整个西州都非常敬畏他，如果大军归还，不做周密的准备，恐怕陇上诸郡县，就不再属于国家的了。
” 曹操虽然明白马超的厉害，但河间战事迫在眉睫，就先撤兵回许昌，不过还是留下夏侯渊、张郃的名将把守要害。建安十七年（212年），正月，马超潼关之战失败不久，就迅速兼并陇上诸郡县（陇西、南安、汉阳、永阳等），张鲁也遣大将杨昂相助马超，共集结万余人，围攻凉州刺史韦康于凉州治所冀城（今甘肃甘谷县南）。三月，凉州刺史韦康派阎温秘密出城，向夏侯渊求救。
