刘备亲率大军进攻汉中，派出了张飞、马超、吴兰抢夺凉州武都郡，断夏侯渊军团的后勤供应线。同时派出了陈式的别动队攻击徐晃驻守的马鸣道，以求切断汉中与许都的联系。
假如张飞、马超这一支部队顺利占领了武都，陈式又在马鸣道击退了徐晃，那么算上刘备自己在正面与夏侯渊对峙，三路军队可以完成对夏侯渊的合围。
可现实的情况下，不仅另外两支部队遭到了挫败，他自己率领的正面大军也进展不顺。
此时的刘备头脑远比夷陵之战的时候清晰，他主动后撤，放弃阳平关，渡过沔水，占据了坐落沔阳县的定军山有利地形。
按照史书记载，刘备应该是占据了定军山北面较高的地形，从而形成夏侯渊部仰攻刘备部的形势。夏侯渊于是调动张郃，离开广石阵地，与刘备抢夺定军山的制高要点，打算在定军山附近对抗刘备军。
此时主客之势顿时逆转，在此以前，夏侯渊部占据汉中有利地形，为主；而刘备部则居于客的地位。此后，刘备占据定军山附近的制高要地，居高临下，化客为主；而夏侯渊部抢夺定军山要地，反而在定军山附近成为客势。
这一调整，可以说是刘备取得汉中战役胜利的关键一步。
刘备为何能断定夏侯渊必然会被调动，一来对夏侯渊性格了如指掌，刘备以识人之明闻名于后世，断然不是虚假。
曹操曾经告诫夏侯渊“为将当有怯懦时”，证明夏侯渊性格中有轻敌冒进的基因，再加上夏侯渊跟随曹操起事以来，功劳颇多，就是马超也吃过夏侯渊的亏，曹操的提醒或许是已经察觉到夏侯渊有点忘乎所以了；
二来夏侯渊的防御体系既然水泼不进，只能“引蛇出洞”，照夏侯渊来看，此时马超、张飞被曹洪压制，陈式也被击退，他估计误判刘备的撤退是全面退却，已经失去了在防御时冷静的分析。
刘备在充分调动夏侯渊部后，组织了一次漂亮的围点打援的战例。刘备先是针对夏侯渊部军力分布漏洞，集中力量，将万余精兵分为十部，轮流攻击夏侯渊新防御体系中最薄弱的张郃部。
张郃虽然悍勇，但也难敌车轮战术。夏侯渊为避免防御体系崩溃，增兵防御张郃部。刘备在此状况下，对张郃发动了前所未有的暴击，夏侯渊终于按捺不住，亲自救援张郃。
刘备竟然预先就料到夏侯渊亲至，提前放火在援救路线之一的走马谷，夏侯渊此刻已经不是不冷静，而是焦躁了，身为主帅竟然亲自前去救火，修补鹿角，不排除有激励士气的原因。
刘备这时派征虏将军黄忠居高临下突袭夏侯渊，双方在山谷相遇，在此处基本形成了一个相对封闭的战场。俗话说，狭路相逢勇者胜。双方都是硬碰硬，此时就要看谁对士兵的组织进攻能力强，谁就能获胜。
夏侯渊作为主帅，所领部下定然是精锐中的精锐。黄忠能够面对强敌，鼓动士卒进攻，并且做到推锋必进，可以说黄忠此战更为勇武，最后竟然击杀了夏侯渊。
失去了夏侯渊的曹军，杜袭与郭淮收合散兵，推举张郃为统帅。张郃接受，指挥军队安定阵营，并授各将领节度，军心才安定。
紧接着，刘备想渡汉水进攻，各将领认为寡不敌众，想依河建阵御敌。郭淮却认为这只是向敌人示弱，不足以挫败敌人；建议在远离汉水的地方设阵，引他们渡河，当过了一半时才作攻击。张郃认为可行，设阵后，刘备疑惑，不敢渡河，曹军于是退回阳平继续坚守。
而曹操得知夏侯渊阵亡的消息（此前曹操已经到了长安，因内部不稳逗留），便命曹真立即增援阳平。曹真到达后，指挥徐晃军反击刘备派出的高翔军，获得胜利，暂时稳定了战场形势。
“三月，王自长安出斜谷，军遮要以临汉中，遂至阳平。备因险拒守。”
曹操在听闻夏侯渊战死的消息后，终于到达了前线。
但曹操亲自统兵来救汉中只能走褒斜道，而不走祁山大道，估计是败退的张飞与马超军，撤退到阳平关以北后，又成功抵制住了曹洪的进攻，曹洪没能乘胜从祁山联通汉中。
如果走褒斜道等小路，曹操面临一个最大的问题就是军需补给的周转。
刘备对此了然于胸，他认为：“曹公虽来，无能为也，我必有汉川矣”，便聚集群众，守备险地，不和曹军交战。
曹操为了夺取汉中，将数千万囊粮草搬运到北山囤积；与此同时，刘备派人到成都让诸葛亮调兵来支援，杨洪以汉中是益州咽喉，家门之祸、存亡之机，劝谏诸葛亮在这种时候应该“男子当战，女子当运”。双方将战斗打成了消耗战。
看到曹操搬运大批军粮，斩杀了夏侯渊而风头正劲的黄忠，征得赵云的同意后，前去劫粮。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。
汉水之战虽然是整个汉中大战的局部战斗，但却是曹操救援汉中后与刘备军唯一的一次遭遇战。黄忠的冒失固然使赵云身临险境，但赵云却能迅速对此做出反应，不但救出了黄忠和张著，还给了曹操军重创。
这场战斗的惊险程度，连刘备也大为惊骇，在看了赵云作战的地方以后，刘备不禁感叹：子龙一身都是胆也。
老版《三国演义》中的赵云
汉水之战，使曹操损失了大量的辎重粮草，还死伤了大量士兵，蜀汉后期重要将领王平也是此刻从曹魏阵营转投刘备阵营。
诸葛亮言：“及至孟德，以其谲胜之力，举数十万之师，救张郃於阳平，势穷虑悔，仅能自脱，辱其锋锐之众，遂丧汉中之地。”作为唯一的遭遇战，能够“辱其锋锐之众”的也只有赵云了。
汉水之战，使得曹刘对峙的局面被打破，刘备此刻竟然派出了刘封主动前去阳平关挑战，而此回坚守不出的变成了曹操。
曹操羞愤之下，大骂刘备常派义子出战，称自己可用黄须儿曹彰来与刘封一战。曹操于是派人去召曹彰来援汉中。曹彰日夜兼程，赶至长安。但曹操已经撤出汉中。
汉中之战以刘备达到了战略目的结束，刘备也紧接着进位汉中王，并派遣刘封、孟达乘胜攻取了东三郡（魏兴、上庸、新城）。
此战双方都投入了大量的兵力，刘备方参战将领张飞、马超、赵云、黄忠等，曹操方参战将领夏侯渊、曹休、曹真、张郃、徐晃、郭淮等，都是三国时期的名将，可谓是一场势均力敌的战争。
后世对此评价甚少，固然有陈寿以魏为正朔的原因，却也不能忽视三国历史演变到此，双方将领的战术有了很大进步，为了达到目的，不到必要的时候，不会展开大规模的遭遇战。
此战过后，曹操退回了中原，但迁徙走了汉中的大部分百姓，而这个动作是曹操刚刚到达汉中就开始了，这说明曹操在汉中与刘备决战的心理并不坚决。
刘备在综合各方面因素后，下定决心，取得了汉中，但他的麻烦才刚刚开始。
钱德勒曾经说过一个组织处在发展期的时候，其实有了很多问题，只不过这些问题被利益的增长所掩盖；而在繁荣期的时候，利益还在增长，实际上问题已经开始暴露，是衰落的前兆。
刘备集团此刻就正处在繁荣期，汉中大战的胜利使得各方派系的暗斗变成了明争。
首先，是下辩之战中，吴兰阵亡有点窝囊，成了张飞、马超互不统属的牺牲品，这恐怕会伤了东州派系的心。
联想到汉中大战前夕，黄权还积极为刘备出谋划策，而在夷陵之战中，就和刘备貌合神离，到后来干脆投降了曹丕，而且同样是东州派系的孟达造成了影响，在关羽被困的时候，并不积极救援，可见一斑。
其次，在汉中大战几次遭遇战中，黄忠阵斩夏侯渊、赵云汉水之战是刘备军团少有的出彩战斗，张飞在下辩遭到了失败，还以为汉中太守必然落到自己头上，估计张飞在阳平关以北阻击曹洪也打得激烈，而且成功了。假如曹洪成功联通祁山与汉中，曹操的补给就可以源源不断到达前线，汉中之战怕是另外一种情况。
汉中太守的重任看起来势必落在这三人当中，但刘备却任命了魏延。刘备的出发点很简单，魏延在汉中前线，没有独立带兵，应该呆在刘备的中军，其表现得到了刘备的认可，提拔魏延，也是在培养后起之秀，也在无意中使得荆州派系的武将实力变大；
再次，如果张飞在阳平关以北阻击曹洪是主将的话，那么马超应该承认了这种现实，战后刘备分封的前、后、左、右四将军中，马超依旧在张飞之前，可以说对马超的安抚。
黄忠跻身四大将，关羽怒曰：“大丈夫终不与老兵同列！”事实上，关羽的年龄推测，比黄忠小不了多少，诸葛亮的话就更有意思了，“忠之名望，素非关、马之伦也。”黄忠名望比不上马超、关羽，但是能比得上张飞，张飞能跻身四大将，黄忠为何不能？因为在诸葛亮与关羽眼中，真正应该跻身四大将的应该是赵云。
从关羽的角度来看，赵云是旧人，属于北方派系；从诸葛亮的角度来说，虽然他是荆州派系，从对日后魏延以及刘封的处理可以看出对于荆州派系的武将刚猛的性格素来不喜，诸葛亮在魏延已经成为汉中太守的情况下，不希望荆州武将势力坐大，在此刻已经有了苗头。
庞统入蜀带领的主力就是荆州派系的武将，诸葛亮在后方，与涿州派系的武将关系应该不错，所以关羽在马超加入后，发牢骚的对象是诸葛亮。
最后，为了安抚关羽，给予了关羽“假节钺”的权力，虽然曹操在汉中就令曹仁主动进攻关羽，可反而是关羽同样为了分担汉中前线的压力，打出了气势，击败了曹仁。孙权却在此刻背盟，趁关羽围攻樊城之时，袭取了荆州。
刘备遭遇过汉中之战后，竟然一时间难以组织起有效的救援。在汉中前线目睹了派系斗争的刘封出了昏招，没有救援关羽，导致了杀身之祸。
刘备集团一开始依靠的就是关羽、张飞、赵云等涿州派系武将，在徐州也是糜竺、糜芳、孙乾等豪强支持，直到诸葛亮的加入，才有了智术之士。
也因为诸葛亮的影响，庞统、向朗、马良等荆襄士人才坚定的跟随了刘备，荆州武将魏延、黄忠也在此时加入。
诸葛亮设计的体制是涿州武将掌握兵权，荆襄士人作为文官处理政务，徐州豪强就被优待雪藏了，这一体制赖诸葛亮的斡旋，起初也比较成功。
随着刘备入蜀，蜀中本就有东州派系与益州派系的斗争，刘备集团的到来，使得派系斗争更加复杂，更何况还多了马超的凉州派系。
刘备虽然是三国不世出的枭雄，但处理纷乱的人际关系着实不如诸葛亮。随着关羽、张飞的凋零，马超、黄忠的相继去世，荆州武将也在随着刘备伐吴中损失惨重，刘备不得不拔擢东州派系的李严与诸葛亮一起作为托孤大臣。
诸葛亮接手蜀汉政权后，虽然最后废掉了李严，但能做到秉公处理政务，既能照顾各个派系的利益，又能防止任何一方坐大，在对南中豪强的治理上，还能因地制宜，巩固了刘备定下的基业，使蜀汉政权绵延数十年。
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