夏侯渊战死之后，曹操亲自率军迎战刘备，以图重新夺回汉中，然而刘备居坚而守，曹操不得胜，汉中遂为刘备所得。
【汉水之战】
汉水之战是汉中大战中发生的一次战斗，当时黄忠出击劫粮，但最后失约，于是赵云出击企图探明情况，途中遭遇敌军，并且以空城计重创了曹军，其事例在《云别传》中有详细记载。
夏侯渊战死后，曹操亲自率领大军来争夺汉中，并运送大量的军粮到北山下，有数千万袋，黄忠得知后建议赵云可以去偷袭北山，赵云同意后，派兵让黄忠前去劫取粮草，但为了谨慎起见，赵云与黄忠约定时间后让黄忠出征。
黄忠领兵去劫粮，过了好赵云约定的时间仍未回营，赵云担心黄忠出了什么意外，而自己的大本营又要留兵驻守，于是赵云留张翼率领其余士兵守营，自己仅率几十个骑兵出去寻找黄忠。结果正好碰上曹操派出的大军，赵云遭到曹军先锋部队的攻击，刚与敌人交手，曹操的大军已来到面前，声势逼人。赵云便一次又一次地突击曹军阵列，且战且退，竟凭着几十个骑兵将曹操军的大军打散，突围而出。但是曹军迅速将被打散的部队整合，追击赵云。此时部将张著受伤，又被曹军包围，已经突围而出的赵云又一次驰马突击曹军，冲进曹军的包围圈并救出张著，再次突围而出，将他带回营寨内。而曹军紧追不放，追至赵云军的营寨前。
沔阳长张翼正在防守营寨，见曹操大军杀到，便要闭门拒守。赵云此时兵力较少，认为死守不是最好的办法，于是进入大营之后，却下令大开营门，然后令自己的军队偃旗息鼓。曹操军见此情况，怀疑赵云设有伏兵，怕中埋伏，不敢向赵云进攻，于是向后退去。此时赵云下令鸣击战鼓，鼓声震天，又令军士以劲弩射曹操后军，曹军惊骇，自相蹂践，坠入汉水中淹死者不计其数。
次日刘备亲自来到赵云兵营察看昨日战斗之处，赞叹：“子龙一身是胆也！”于是设宴欢庆直到黄昏，军中亦称呼赵云为“虎威将军”。
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【曹操退兵】
曹操从建安二十三年（18）七月开始治兵，到建安二十四年（19）三月魏王曹操从长安出兵经过斜谷，派出先头部队扼守险要之处向汉中进军，其准备时间长达半年有余，但仅仅两个月后，曹操就放弃汉中回师长安。
裴松之的补注中有记载，有一次刘备有一次与曹操在作战中，形势不利，本应马上撤退，而刘备却大怒不肯撤军，无人敢进谏。当时箭如雨下，法正便走去挡在刘备前面。刘备赶紧喊道：“孝直避箭。”法正回道：“连明公也冒着箭雨、飞石，何况我呢？”刘备只好允诺：“我和你一起撤退。”便暂时撤军了。
当时刘备坚壁不出，曹军与刘备军相距数月，无利，最终选择放弃汉中。
据《九州春秋》记载，当时魏王曹操想回去了，于是下令“鸡肋”，官员们不知道的是什么。主簿杨修知道后便整理行装，人们吃惊地问修：“你怎么知道的？”杨修：“鸡肋，弃之可惜，吃了也得不到什么，以其比做汉中，就知道魏王是想回去了。”
另据《魏略》记载，曹操其时在汉中与蜀军鏖战，而刘备栖军于山头之上，命刘封下山挑战。曹操便骂：“你这个卖草鞋的子，竟然派你的义子领兵来抵抗我，啊！看我叫我（亲生）的黄须儿来。”于是下令召曹彰助战。曹彰于是日夜倍道兼进，然而西到长安之时曹操已经从汉中回来。曹操东还后，以曹彰行越骑将军，留守长安。
曹操命令各路军队陆续退出汉中，又令曹真到武都去迎接曹洪所部回屯陈仓，当时张郃也屯兵于此，防备刘备。曹操虽然不得已放弃汉中，但又恐刘备北取武都氐人而进逼关中，问计于张既。张既答道：“可劝氐人迁出，到粮食充裕的地方避敌。并且对先至者予以重赏。如此氐人必争相赶往。”曹操依计行事，遣张既至武都，徙氐人五万余至扶风、天水两郡定居。
【攻取上庸】
建安二十四年（19），刘备彻底占领汉中全境，另外又派遣宜都太守孟达率军夺取房陵郡。当时孟达从秭归北攻房陵，房陵太守蒯祺（蒯祺是诸葛亮的姐夫）为达兵所害。
其后孟达又挥军进攻上庸郡，刘备暗地里担心孟达难以独力取胜，于是遣刘封从汉中顺沔水南下去统领孟达的军队，除了刘封之外，还有一名叫李平的将领也参与了这一战，后刘封率军与孟达上庸合兵一处后成功地逼降了上庸太守申耽。占领上庸后刘封迁为副军将军，申耽为征北将军，兼上庸太守，刘备还任命申耽的弟弟申仪为建信将军、西城太守。
房陵郡和上庸郡原来都是归属于汉中郡，为张鲁所管割，曹操平定汉中后，从中分出二郡，并且将二郡改为荆州所属。
【汉中称王】
取得汉中之战的胜利后，先主为汉中王刘备在群臣的拥立自立为汉中王，他在沔阳设坛场，布置军队排列成阵，郡臣都来陪从，读过奏章，跪拜接受汉中王的印玺绶带，戴上王冠。派使者乘驿马车将奏章送呈献帝，归还以前授予的左将军、宜城亭侯的印绶。
刘备称王后立儿子刘禅为王太子。提拨牙门将军义阳人魏延为镇远将军，兼汉中太守，镇守汉川。后刘备回到成都主持各项政务，任命许靖为太傅，法正为尚书令，关羽为前将军，张飞为右将军，马超为左将军，黄忠为后将军，其余的人按照等级都有升迁，而镇守后方的诸葛亮并没有记载得到赏赐和升迁。
历史上第一个称汉中王的人正是汉朝的开国皇帝刘邦，西楚霸王项羽由于不满刘邦以逸待劳先进入咸阳，所以在分封诸侯之时，故意将刘备分封到当时较为蛮荒的汉中、巴蜀一带为汉中王（汉王），统治汉中郡、蜀郡与巴郡一带。后来刘备夺取天下之后，因为自己的封号是“汉”，故开创的帝国便以汉为国号，这也是汉朝的由来。
注：秋，群下上先主为汉中王，表於汉帝曰：“平西将军都亭侯臣马超、左将军(领)长史〔领〕镇军将军臣许靖、营司马臣庞羲、议曹从事中郎军议中郎将臣射援、1军师将军臣诸葛亮、荡寇将军汉寿亭侯臣关羽、征虏将军新亭侯臣张飞、征西将军臣黄忠、镇远将军臣赖恭、扬武将军臣法正、兴业将军臣李严等一百二十人上言曰：昔唐尧至圣而四凶在朝，周成仁贤而四国作难，高后称制而诸吕窃命，孝昭幼冲而上官逆谋，皆冯世宠，藉履国权，穷凶极乱，社稷几危。非大舜、周公、朱虚、博陆，则不能流放禽讨，安危定倾。伏惟陛下诞姿圣德，统理万邦，而遭厄运不造之艰。董卓首难，荡覆京畿，曹操阶祸，窃执天衡；皇后太子，鸩杀见害，剥乱天下，残毁民物。久令陛下蒙尘忧厄，幽处虚邑。人神无主，遏绝王命，厌昧皇极，欲盗神器。左将军领司隶校尉豫、荆、益三州牧宜城亭侯备，受朝爵秩，念在输力，以殉国难。睹其机兆，赫然愤发，与车骑将军董承同谋诛操，将安国家，克宁旧都。会承机事不密，令操游魂得遂长恶，残泯海内。臣等每惧王室大有阎乐之祸，有定安之变，夙夜惴惴，战栗累息。昔在虞书，敦序九族，周监二代，封建同姓，诗著其义，历载长久。汉兴之初，割裂疆土，尊王子弟，是以卒折诸吕之难，而成太宗之基。臣等以备肺腑枝叶，宗子藩翰，心存国家，念在弭乱。自操破於汉中，海内英雄望风蚁附，而爵号不显，九锡未加，非所以镇卫社稷，光昭万世也。奉辞在外，礼命断绝。昔河西太守梁统等值汉中兴，限於山河，位同权均，不能相率，咸推窦融以为元帅，卒立效绩，摧破隗嚣。今社稷之难，急於陇、蜀。操外吞天下，内残群寮，朝廷有萧墙之危，而御侮未建，可为寒心。臣等辄依旧典，封备汉中王，拜大司马，董齐六军，纠合同盟，扫灭凶逆。以汉中、巴、蜀、广汉、犍为为国，所署置依汉初诸侯王故典。夫权宜之制，苟利社稷，专之可也。然后功成事立，臣等退伏矫罪，虽死无恨。”
先主上言汉帝曰：“臣以具臣之才，荷上将之任，董督三军，奉辞於外，不得扫除寇难，靖匡王室，久使陛下圣教陵迟，**之内，否而未泰，惟忧反侧，疢如疾首。曩者董卓造为乱阶，自是之后，群凶纵横，残剥海内。赖陛下圣德威灵，人神同应，或忠义奋讨，或上天降罚，暴逆并殪，以渐冰消。惟独曹操，久未枭除，侵擅国权，恣心极乱。臣昔与车骑将军董承图谋讨操，机事不密，承见陷害，臣播越失据，忠义不果。遂得使操穷凶极逆，主后戮杀，皇子鸩害。虽纠合同盟，念在奋力，懦弱不武，历年未效。常恐殒没，孤负国恩，寤寐永叹，夕惕若厉。今臣群寮以为在昔虞书敦叙九族，庶明励翼，1五帝损益，此道不废。周监二代，并建诸姬，实赖晋、郑夹辅之福。高祖龙兴，尊王子弟，大启九国，卒斩诸吕，以安大宗。今操恶直丑正，寔繁有徒，包藏祸心，篡盗已显。既宗室微弱，帝族无位，斟酌古式，依假权宜，上臣大司马汉中王。臣伏自三省，受国厚恩，荷任一方，陈力未效，所获已过，不宜复忝高位以重罪谤。群寮见逼，迫臣以义。臣退惟寇贼不枭，国难未已，宗庙倾危，社稷将坠，成臣忧责碎首之负。若应权通变，以宁靖圣朝，虽赴水火，所不得辞，敢虑常宜，以防后悔。辄顺众议，拜受印玺，以崇国威。仰惟爵号，位高宠厚，俯思报效，忧深责重，惊怖累息，如临于谷。尽力输诚，奖厉六师，率齐群义，应天顺时，扑讨凶逆，以宁社稷，以报万分，谨拜章因驿上还所假左将军、宜城亭侯印绶。”