第一阶段：217年冬到218年底 刘备接受法正的建议，集中主力争夺汉中。其部署为： 刘备率法正、黄忠、魏延、赵云、高详、刘封等将进攻夏侯渊军据守的进入汉中之要隘阳平关，以期夺占阳平关将曹军驱除出汉中地区; 张飞、马超、吴兰、雷铜、任夔等将进攻武都郡(下辩一带)，既可切断曹军从陇右地区向汉中增援兵力和粮草的通道，又保证刘备主力的侧翼安全; 曹军以夏侯渊军主力据守阳平关，张郃军守广石，确保汉中门户的安全;以曹洪、曹真军抵抗张飞的部队，确保阳平关侧翼和西路粮道的安全;以徐晃军机动防御马鸣阁至阳平一带，保障阳平关侧后之安全。

　　217年冬，刘备军开始自成都向汉中进兵，张飞部进军下辩。 218年春，张飞部到达下辩，与曹洪军相持。张飞分兵，扬言要出击曹洪军的后路，被曹真等人识破，结果前军吴兰等部被曹洪军集中兵力击破，雷铜、任夔战死，吴兰逃到少数民族部落后被杀。张飞看到损失较大，有利地形已经被曹军占领，估计无法再发动进攻，就撤出了武都地区。张飞军总共约2万人，此次作战估计损失5千以上，大将3员。 同期，刘备的主力与夏侯渊、张郃军一直相持在阳平关一带，刘备屡攻不下，损失也不小。

　　218年7月，刘备派陈式军攻击马鸣阁道，希望切断阳平北面道路，从侧后方威胁阳平。结果遭到徐晃军的打击，损失惨重，许多士兵因山路狭窄而落入山涧。 这时，刘备的夺取汉中之计划遇到了极大的困难，主力仰攻阳平不下，侧翼迂回的两路部队均遭到失败，曹军已经威胁到其主力的侧翼安全了，而且兵力也损失很大(前后相加估计1~1。5万左右)。只好紧急征调成都的留守部队到汉中前线。

　　第二阶段：219年1月 诸葛亮及时将成都的部队集中后全部派往汉中，缓解了刘备的危急形势。 219年1月，刘备放弃进攻阳平，渡过汉水，向定军山一带机动，希望以此调动夏侯渊军离开坚固阵地，在运动中寻找战机。夏侯渊果然中计，与张郃率军也渡过汉水，在定军山扎下大营。

　　刘备采用声东击西战术，先猛攻张郃军防守的东面，夏侯渊惟恐张郃兵少抵挡不住，就分兵一半增援。接着刘备火烧夏侯渊防守的西面外围，趁夏侯渊出营救火，放松警戒的时机，突然派黄忠从山上发起突击，一举斩杀夏侯渊，并击败其残余部队，益州刺史赵颙也同时阵亡。 张郃军守不住定军山大营，只好退过汉水扎营，并收拢散兵。夏侯渊的司马郭淮等临时推举张郃统一指挥剩余的部队。 刘备军准备渡过汉水继续攻击张郃军。张郃准备沿河阻击。

　　这时郭淮建议：沿河阻击是示弱的表现，应把部队向后移动，让刘备军渡河，待其半渡而击之。张郃采纳了这个建议。刘备看到曹军的部署担心渡河有危险，于是放弃了渡河追击的企图。张郃于是率军退回阳平继续坚守。 曹操得到夏侯渊阵亡，曹军损失很大，情况危急的消息后，命令曹真火速增援阳平。曹真到达后，指挥徐晃军反击刘备派出的高详军，获得胜利，暂时稳定了战场形势。

　　第三阶段：219年2月~5月 219年2月，得到夏侯渊战败的消息，曹操急忙从长安赶到阳平一带，准备与刘备的主力展开决战。曹操是在218年7月开始自邺出发的，于当年9月到达长安。由于10月发生了宛城守将侯音叛变事件，加之当时汉中局势比较平稳，曹操于是留在长安观察局势发展，再决定进一步的行动(比如可能要增援宛城的平叛作战)。

　　由于219年1月夏侯渊的阵亡，曹操马上率军进入汉中。 219年3~5月，刘备依靠大巴山的险要地形，坚守不出，曹操进攻又没有效果，而曹军的运输线因过于漫长，还经常遭到刘备军的偷袭，后勤得不到保障，最后曹操决定将所有部队撤离汉中。 同时(或在此前)撤出的还有汉中的人民8万多人和武都郡的少数民族5万余户。 汉中战役到此全部结束。