建安二十四年正月，春寒料峭，对汉中志在必得的刘备，带领以奇谋妙策著称的谋士法正、老当益壮的猛将黄忠，再次对汉中发起进攻。战局初期与前两次如出一辙，刘备强攻阳平关，遭到夏侯渊的顽强抵抗，强攻无效。
但刘备这次已胸有成竹。当夏侯渊部队主力全部被吸引在阳平关一线时，刘备却秘密带领主力渡过沔水，顺山势隐蔽疾行，迂回到阳平关侧后之定军山，终于在汉中夺得一个立脚点。夏侯渊得没料到刘备来这一手，大为吃惊，星夜兼程赶赴定军山，想要驱逐刘备收复失地。
夏侯渊在定军山下设立两个大营，“使张郃护东围，自将轻兵护南围”。刘备审时度势，定下声东击西之计。他先派遣精兵日夜围攻张郃的东围大营，张郃身陷重围形势危急，被迫向南围大营的夏侯渊求救。
夏侯渊不能坐视不管，只得亲自带领部分兵力，冒险出营救援张郃，如此一来，夏侯渊的兵力已经一分为三，东围大营一部，南围大营一部，夏侯渊自己带领一部，每一部分兵力都很单薄，正中刘备下怀。刘备早已派猛将黄忠埋伏在途中，单等夏侯渊出营后，刘备指挥黄忠迅速出手，一举歼灭夏侯渊所部，“夏侯渊与刘备战于阳平，为备所杀”，“夏侯渊为刘备所没，军丧元帅，将士失色”。曹军胆丧魂飞，张郃带领少数败兵狼狈而逃。
定军山之战，刘备指挥部队气势如虹，歼灭夏侯渊所部，最终成功把汉中收入囊中，蜀汉获得了荆州、益州之外的第三个大根据地。但刘备很快就发现，他上了曹操的大当。原来，深谋远虑的曹操在占据汉中期间，已经预料到汉中地势险远，将来可能会鞭长莫及。
