刘备听从法正的谋划，率军强渡沔水，直插定军山，占据了定军山有利的地形，曹军夏侯渊部来争，定军山之战就此打响。
此前，张郃统兵进攻张飞镇守的巴西，被张飞击败，几乎是全军覆没，只身逃回定军山，夏侯渊本欲坚守，法正设计夺取定军山对面的高山使曹军失去地利，迫使夏侯渊主动出击，又以逸待劳，避朝锐，击暮归，一举击败定军山守军，夏侯渊也阵亡于乱军之中。张郃留守的大营兵力微薄，抵挡不住，撤往汉中，定军山失守。此战居功最高者非法正孝直莫属，可惜英年早逝，失此奇谋之士，蜀汉痛失栋梁之才。
建安二十二年（217年）十一月，蜀郡太守、扬武将军法正向刘备进言：“曹操一举而降张鲁，定汉中，不因此势以图巴蜀，而留夏侯渊、张郃屯守，身遂北还，此非其智不逮而力不足也，必将内有忧逼故耳。”建议刘备乘机攻取汉中:“此盖天以予我，时不可失也。”刘备采纳此建议，遂决定发兵北进，攻取汉中.
次年春，刘备以诸葛亮总理益州（今成都）后方兵粮补给，以征虏将军巴西太守张飞、平西将军马超等率吴兰、雷铜等将，先进攻下辨（今甘肃成县）；刘备与法正率翊军将军赵云、讨虏将军黄忠、牙门将军魏延等，向汉中进军。时曹操已进爵为魏王，以征西将军夏侯渊驻守阳平关（今勉县老城西），平寇将军徐晃驻军马鸣阁道（今四川广元西北），荡寇将军张郃守广石（今勉县西）。
二月，张飞进攻固山（今甘肃成县南山），扬言要断曹洪军后路。曹洪进击张飞、吴兰。吴兰战败，被斩杀。张飞、马超引兵退走。
四月，刘备攻马鸣，派将军陈式断绝马鸣阁道。魏军徐晃率兵截击，陈式军堕落山谷伤亡众多。不久，马鸣阁道为刘备军攻克。刘随即进攻广石及阳平关，夏侯渊与徐晃、张郃集兵抗击，刘备屡攻不克，遂急书益州增兵。诸葛亮征询从事杨洪意见，洪说：“汉中则益州咽喉，存亡之机会，若无汉中，则无蜀矣！此家门之祸，男子当战，女子当运，发兵何疑？”于是诸葛亮迅速调集兵力，派往汉中，增援刘备。
建安二十四年（219年）正月，刘备久攻阳平关仍未克，乃引军南渡汉水，于定军山前扎营。夏侯渊率兵前来争山，筑围与刘备军相峙，自率轻兵守南围，以张郃守东围。刘备军乘夜先攻东围，张郃军首战不利，渊分兵助郃。于是刘备用法正计策，命黄忠数次鼓噪而不攻，使夏侯渊松懈戒备，而后突然进攻南围，摧锋进击，势不可挡，渊军大败，黄忠刀劈夏侯渊于定军山下。
夏侯渊死，张郃急忙退守阳平关。魏军失帅，慌乱不知所为。督军杜袭和司马郭淮号令军中：“张将军国家名将也，刘备所惮，今日事急，非张将军不能安也。”遂推举张郃为主将，出兵安阵，军心方定。
次日，刘备欲再渡汉水攻阳平关。魏军诸将以为众寡不敌，欲以水为阵阻击刘备军。郭淮认为：“此示弱而不足挫敌，非算也。不如远水为阵，引而致之，半济而后击之，备可破也。”刘备见魏军退后远水布阵，迟疑而不敢渡江。
三月，魏王曹操以汉中危急，自长安出斜谷道，亲临汉中指挥作战。刘备集中兵力，扼险据守，不与交锋，拖延时间，消耗魏军。刘备派黄忠引兵袭取魏军北山下粮库，黄迟迟未回，又派赵云率数十骑前往侦视。赵与魏军突然遭遇，即勇猛冲其前阵，魏军大乱，赵且战且退。魏军散而复合，追至赵云营下。时沔阳长张翼正想关闭营门据守，赵云玩起了“空城计”，让兵士大开营门，偃旗息鼓。
魏军到赵云营前，疑有埋伏，不敢再追而回。此时，赵云令士卒擂鼓震天，以劲弩于后追射，魏军惊骇慌乱，自相践踏，堕入河水溺死者无数。次日晨，刘备至赵云营视察，赞道：“子龙一身都是胆也”。
魏军与刘备军对峙月余，士卒逃亡甚多，军粮接应不上，士气低落。五月，曹操以“鸡肋” 为口令放弃汉中，撤军北还。
七月，刘备自立汉中王，于沔阳（今勉县）旧州铺筑坛，陈兵列众，马超等46人上书东汉朝廷，请立刘备为王。群臣陪位，读祭讫，戴上王冠，就王位。以魏延为镇远将军、汉中太守，率兵屯守汉中。刘备率兵回成都，次年在成都称帝，国号汉，史称“蜀汉”。从此，汉中遂成为蜀汉的北大门、诸葛亮伐魏的根据地。
定军山下摆战场，刀劈夏侯阵前亡。这一战，奠定了蜀汉基业，开辟了三国鼎立局面，是中国历史上具有划时代意义的一战。从此，中国进入了三国时代。