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渭南之战后，曹操完全控制了关中，彻底打通了通往汉中的通道，建安二十年（215），曹操亲自率领大军讨伐张鲁，并且成功占据汉中。
过道灭氐
建安二十年（215）三月，魏公曹操亲自率兵攻打张鲁，准备自武都进入氐人所居之地。氐人在途中拦截，曹操派张张郃、朱灵打败了氐人。夏季，四月，曹操从陈仓出散关，到达河池。氐王窦茂有部众一万余人，仗恃地势险要，不肯降服。五月，曹军打败氐人，并进行屠杀。同年，西平、金城的将领麴演、蒋石等将领共同杀死韩遂，并且将他的头颅献给曹操。
攻占汉中
同年秋季七月，魏公曹操抵达阳平。张鲁让他的弟弟张卫和部将杨昂占据阳平关，沿山腰修筑十多里长的城墙，曹军难以攻克，便撤军而走。张鲁兵见曹公领兵退走，便解除了这里的防备。
曹公却暗中派解口、高祚等人冒险乘夜偷袭，把敌军打得大败，杀了杨任，又攻打张卫，张卫等人连夜逃走。张鲁溃不成军，逃往巴中。当时刘晔做为主簿随军西征。曹操到了汉中郡，山势险峻，难于攀登，军粮非常缺乏，于是说：“这是个妖妄的地方，或有或无，无关轻重。我军缺少粮食，不如迅速回兵。”曹操即亲自率领士兵返回，命令刘晔都督后面的各路人马，让他们按序出山。而刘晔算计张鲁可以攻克，加上运粮的通道不能接续，虽然退出，军马还是不能完好无损，于是飞马告诉曹操：“不如致力于进攻。”曹操随即进兵，大破敌军。
曹公大军进入南郑县，张鲁府库中的珍宝全被缴获。巴郡、汉中郡全部投降。把汉宁郡的名称恢复为汉中郡；划出汉中郡的安阳、西城新设西城郡，设太守；分设锡郡、上庸郡，设置都尉。
关于攻占汉中之事还有其他的记载，董昭上表中记录是曹操退军后士卒无意中进入张卫大营，敌军遂败，《世语》中也有野麋冲击张卫大营，惊动大营，张卫后又误与高祚等遭遇，大惧遂降的记载。
魏名臣奏载董昭表曰：“武皇帝承凉州从事及武都降人之辞，说张鲁易攻，阳平城下南北山相远，不可守也，信以为然。及往临履，不如所闻，乃叹曰：‘他人商度，少如人意。’攻阳平山上诸屯，既不时拔，士卒伤夷者多。武皇帝意沮，便欲拔军截山而还，遣故大将军夏侯惇、将军许褚呼山上兵还。会前军未还，夜迷惑，误入贼营，贼便退散。侍中辛毗、刘晔等在兵后，语惇、褚，言‘官兵已据得贼要屯，贼已散走’。犹不信之。惇前自见，乃还白武皇帝，进兵定之，幸而克获。此近事，吏士所知。”
又杨暨表曰：“武皇帝始征张鲁，以十万之众，身亲临履，指授方略，因就民麦以为军粮。张卫之守，盖不足言。地险守易，虽有精兵虎将，势不能施。对兵三日，欲抽军还，言‘作军三十年，一朝持与人，如何’。此计已定，天祚大魏，鲁守自坏，因以定之。”