曹操脫險後率主力順著黃河向北轉進，也到達蒲阪津，這裡已被曹軍佔領，所以沒有太費事大軍就渡過了黃河，抵達黃河西岸的臨晉縣境內，該縣屬三輔之一的左馮翊，位置約在今陝西省大荔縣附近。
等於說，曹軍已繞到關中聯軍的左翼，關中聯軍所依賴的潼關天險已不存在了，曹軍兩渡黃河，這是馬超、韓遂沒有料到的。
但來到了黃河西岸的曹軍也面臨著嚴峻的問題，他們發現這裡的道路狀況很差，很難滿足這麼多人馬以及後勤運輸車輛調動的需要。時至今日黃河兩側的陝西、山西一帶仍然存在交通不暢的問題，原因是黃河及其眾多支流把這一帶劈成了溝壑縱橫的模樣。
關中聯軍迅速調整部署，利用地理優勢，不斷派出小分隊襲擾曹軍，尤其是曹軍的運輸隊最容易遭到襲擊。為了解決這個問題，曹操下令快速修成了一條甬道。
甬道，一種全封閉的道路，類似現在的高速公路，本來是皇帝專用的，皇帝出行為了保證安全，路的兩邊築起牆來保護。甬道也曾用於軍事，楚漢戰爭時劉邦為了保證源源不斷從敖倉運出糧食，專門在滎陽修過一條甬道。
用牆來封閉整條道路肯定耗時費力，曹操下令修的這條甬道用的不是牆而是各式車輛，中間用樹枝做成連續不斷的柵欄。儘管有些簡陋，但這一招很管用，有效抵擋了敵人的襲擾，保證了人馬和糧草的運輸。
打仗其實是很艱苦的事，時常會用到工兵作業，當年在安眾為了突圍曹操臨時使用過「地道戰」，如今又打起了「甬道戰」，沒有強大的工兵還真不行。
在甬道的幫助下曹軍不斷向南推進，一直來到了渭口，即渭河與黃河的交匯處，也就是潼關所在的位置。之前關中聯軍與曹操「夾關而軍」，一個在潼關的西面，一個在東面。現在位置發生了遷移，變成了「夾河夾軍」，一個在渭河的南面，一個在渭河的北面。
渭河是黃河最大的支流，但水流量和險峻程度遠遜於黃河，從渭河上攻擊敵人要輕鬆許多。曹軍搜集了不少船隻，可以乘船渡河，同時工兵又大顯神威，迅速在渭河上架起了一座浮橋。就這樣，曹軍又順利渡過了渭河，在南岸紮起一座軍營。
現在，對關中聯軍來說相當不妙了。
關中聯軍不僅失去了潼關天險，現在連渭河防線也沒有保住，地理優勢已不復存在。馬超慌了，組織人馬出擊，他能想到的是趁夜劫營，但這種小兒科的事曹操怎會想不到？曹軍有準備，將敵人擊潰，之後曹軍的全部人馬都到了渭河南岸的軍營，與關中聯軍對壘。
此時已經是農曆的九月，由於這一年閏八月，九月相當於十月，天氣很寒冷。曹軍在渭河邊築營時發現，這裡都是沙土地，異常疏鬆，不利於就地築營。這個情況事先無法預料，一時難壞了曹操，謀士婁圭建議：「現在天很冷，可以用沙土築城，一邊築一邊澆水，馬上就能結成冰，這樣的營壘像鐵一樣堅硬，一夜之間就能築起百道營牆，一定固若金湯！」曹操一聽有理，就下令築「冰營」，果然一夜而成。
曹軍在渭河南岸站住了腳，馬超多次來挑戰，曹操不理，馬超受挫，陷入深深的焦慮中。馬超覺得還是曹操強大，自己沒有取勝的信心，於是請出求和，願意送兒子做人質，以表忠心。馬超還是太天真，這個時候講和已經不可能，曹操完成了對關中聯軍的攻擊部署，一戰即可解決關中問題，怎麼會放棄？馬超能做的，要麼放手一搏，至少當個失敗的英雄；要麼趕緊撤退，回到涼州徐圖再起，跑得越快越遠越好。
如果想求和，那就讓人捆了送到曹操面前任其發落。想談判，馬超已經沒有本錢了。
但對馬超的請求曹操沒有立即回絕，他還在深思。看到這種情況，賈詡悄悄建議不如假裝答應他們。曹操問賈詡，答應之後怎麼辦，賈詡只簡單說了幾個字：「離之而已。」
曹操恍然大悟，馬上明白了其中的意思。對涼州軍賈詡再熟悉不過了，他最早就是涼州軍出身，是董卓手下的一名校尉，後來成為一名智囊。他知道涼州軍將領雖然作戰勇猛，但有一個通病，那就是多疑，馬超與韓遂不和，正好可以做文章。
曹操覆信馬超，同意談判。雙方會面，曹操帶著許褚等少數護衛赴約，關中聯軍一方是馬超和韓遂。見了面，馬超卻有些心不在焉，他發現曹操身邊的人並不多，他是一名虎將，突然產生了襲擊曹操的想法。
馬超正準備動手，猛地發現曹操背後有一個大漢，正直勾勾地盯著他看，目光逼人，充滿殺氣。馬超吃了一驚，他早就聽說曹操身邊有個叫許褚的人力大無比，勇猛異常，難道是他？馬超停下來，裝著輕鬆的樣子問曹操：「聽說您手下有個虎侯，不知道現在何處？」曹操回頭一指許褚，說這就是我的虎侯。許褚勇冠三軍，軍中號「虎癡」，又被封為關內侯，因此有「虎侯」的美譽。
馬超想了想，沒敢輕舉妄動。
這次見面沒有取得實質性成果，沒說打，也沒說和，雙方約定再談。等到再見面時，不知何故，這一次只有韓遂去了。
韓遂和馬騰齊名，但他們的出身卻大不相同。馬騰早年是一名伐木工，地地道道的「窮N代」。韓遂出身好得多，他的父親舉過孝廉，而且跟曹操是同一年舉的孝廉，當時全國一年被推舉的孝廉最多也不過幾十個人，算是一種緣分，有點類似後世同一年中進士被稱為「同年」，韓遂本人是朝廷正式任命過的征西將軍，跟曹操又是同僚關係，因為上面這兩個原因，韓遂自己覺得跟曹操「不是外人」，會談的氣氛很好。
說話中曹操跟韓遂越走越近，兩匹馬不知不覺中走到了一塊，兩人聊了很久，他們的談話沒有切入正題，而是敘了些舊事家常，說得高興處，還拍手歡笑。
為保證曹操的安全，曹軍士兵在倆人談話的區域之外放置了很多木頭做的障礙物，這樣其他人只能在很遠的地方看他們而聽不到他們具體說些什麼，但能看出來他們談得很投機。那時天下沒人不知道曹操的大名，包括從涼州來的少數民族士兵也是一樣，但見過曹操的卻很少，他們都想近距離看看曹操長得什麼樣。
看到這種情形，曹操高聲對關中聯軍將士開玩笑道：「大家想看我曹操嗎？我也是人哪，沒有四隻眼睛兩張嘴，只不過智慧多一些罷了！」現場大樂，氣氛更加輕鬆，場面不像是打仗，倒像是為曹操專門舉辦的明星演唱會，下面淨是粉絲。
韓遂不知道這正是曹操的計謀，而這個計謀的發明人還是他自己。十六年前，大體上也是在關中地區，韓遂用陣前拉家常這一招讓李傕和樊稠翻臉，從而導致樊稠被殺，當時的那一幕有個人一直在陣前觀看，這個人就是賈詡，他向曹操提出離間計的時候，腦子裡肯定閃過的是這一幕。現在曹操好比是韓遂，馬超和韓遂好比是當年的李傕和樊稠，招數不在於是否新鮮，實用就行，以賈詡的機敏，臨時克隆了這一招，反過來給韓遂用上，而韓遂還被蒙在鼓裡。
馬超中招了，韓遂回來後馬超問他跟曹操在陣前談了些什麼，韓遂想了半天也想不出來談過什麼正經事，於是老實回答說沒什麼。
這讓馬超更疑心了，韓遂本來態度就不堅決，是自己反覆爭取他才參與造反的，他的兒子現在還在曹操手中，他跟曹操之間素無深仇大恨，這樣的人隨時可能被曹操拉攏過去，要是那樣就糟了。
更讓馬超起疑的事隨後發生，他手下的士兵截獲一封信，是曹操派人送給韓遂的，這封信寫得很神秘，淨是讓人看不懂的話，而且上面塗塗改改。馬超確信這是曹操與韓遂密謀的證據，關中聯軍於是軍心大亂，到了草木皆兵的程度，無心考慮眼前的敵人。
火候差不多了，曹操下達總攻擊令。
總攻前，曹軍先以小股部隊進行襲擾，反覆衝擊，使敵人疲於應對。之後，以虎豹騎為主力突然縱兵殺出，敵人大敗，成宜、李堪等人被斬於陣前，韓遂、馬超率殘部逃到涼州，楊秋逃到安定，程銀、侯選逃到漢中，長安重新回到曹軍手中，關中平定。
潼關之戰打得很漂亮，從戰略佈局到戰役指揮都顯示出曹操的高超軍事指揮藝術。戰役初期曹操故意放慢攻擊節奏，讓敵人集結，之後及時分兵，巧施甬道、浮橋、冰營，克服了地理上的劣勢，又巧用疑兵，關鍵時刻上演離間計，瓦解了敵人的鬥志，使決戰毫無懸念。