夏侯淵是曹軍西線戰場的總指揮，相當於元帥級的人物，他猝然戰死，曹軍上下無不震怖。
惶恐之下，大家都不知道該怎麼辦。原丞相府長史杜襲此時在漢中任督軍，曾在曹丕五官中郎將府擔任過門下賊曹的郭淮此時在夏侯淵軍中當司馬，他們二人收斂散卒，號令全軍說：「張郃將軍是國之名將，劉備也有所忌憚。現在事情很緊急，非張將軍不能主持大事。」
杜襲和郭淮共推張郃為臨時統帥，張郃重新調整了部署，安好營寨，大家才稍稍安定下來。劉備指揮人馬渡過漢水來攻營，大家都認為此時敵眾我寡，士氣也不如對手，不如在漢水邊修築工事抵擋，不讓敵人渡河。郭淮不同意這種看法，他認為：「這是向敵人示弱的做法，無法挫敗敵人。不如在離漢水遠一點的地方列陣，誘使敵兵渡河，等他們渡過一半時再突然發起攻擊，劉備必然可破。」
張郃採納郭淮的建議，遠遠地列陣於漢水北側，劉備看到果然生疑，不敢渡河。在張郃的主持下曹軍暫時穩住了陣腳，避免全線潰敗。他們堅守在漢水北岸，等待援軍的到來。
曹操意識到漢中已危在旦夕，立即從長安出發趕往漢中。為節省時間，這次他改走褒斜道，這是他第二次走這條路，上次由漢中返回長安時曹操走的就是這裡，可能是他想親自體會一下這著名通道的實際情況，曹操得出的結論是「南鄭為天獄」，褒斜道是「五百里石穴耳」，說明這條道路在當時狹窄、深險並且路程漫長。
建安二十四年（219）3月，曹操終於出了褒斜道，到達漢中。
老對手來了，劉備採取先不與其爭鋒的對策，新獲定軍山大捷，劉備信心十足，對左右說：「曹操雖然親自前來，必然會無功而返，我一定能拿下漢中！」在陽平關以東、南鄭以西的漢水谷地，雙方展開了對攻。
一次，曹軍的運糧隊從北山下經過，隊伍很長，黃忠認為可以襲擊一下，把糧食劫過來。漢中是個不大的地方，突然間雲集了雙方這麼多軍隊，軍糧供應將會是個大問題，如果能把對方的軍糧劫過來，那對敵人將是雙重打擊。
劉備派牙門將軍趙雲跟隨黃忠一塊劫糧，黃忠先出發，趙雲在後，但到了約定時間黃忠仍然未歸，趙雲率幾十名騎兵出了營寨，去接應黃忠。趙雲剛一出來就遇到曹軍主力，雙方展開激戰，趙雲身邊只有幾十個人，且戰且退，奮力殺出重圍。這時趙雲發現部將張著負傷被圍，趙雲又折返回去，殺入重圍把張著救了出來，之後殺回自己的營寨。
趙雲的營寨已被曹操手下沔陽縣長張翼帶人佔領，張翼閉門拒守，趙雲殺了進去，將營寨重新佔領，之後把營門打開，偃旗息鼓。曹軍到後，看到這種情況懷疑營內有伏兵，不敢攻營，於是撤退。趙雲不幹，雷鼓震天，用弓弩射擊曹軍，曹軍驚駭不已，自相踐踏，還有不少墜入漢水中淹死。這可以稱為趙雲版的「空營計」，第二天劉備親自到趙雲營中視察，看到前一天的戰場，不禁讚歎說「子龍一身都是膽啊」，當天劉備下令在營中擺酒慶賀，一直喝到晚上，劉備軍中稱趙雲為「虎威將軍」。
還有一次，雙方交戰，形勢對劉備不利，應該趕緊撤退，可劉備不肯，沒有人敢勸。看到矢如雨下，法正急了，一下子擋在劉備身前，劉備喊道：「孝直避箭！」法正不避，對劉備說：「主公您都在親自用身體擋箭矢，何況小人我呢？」劉備才冷靜下來，下令撤退。
劉備屯兵於棲於山上，派養子劉封下來挑戰。曹操大怒，罵道：「一個賣鞋子的小兒，居然用養子抗拒你家主人！待喚我家黃須兒來收拾你！」黃須兒就是曹彰，曹操從鄴縣出發前，派曹彰領兵征服代郡烏桓，當時代郡的烏桓人造反，曹操讓曹彰以北中郎將的身份代理驍騎將軍，領兵鎮壓叛亂，現在代郡建邊的事已經完結了，曹操還真的讓人去喚曹彰來漢中前線，曹彰接到命令後晝夜西行往這裡趕來。
雙方相持了一個多月，劉備看到無法立即取勝，乾脆來了個拒險死守，跟曹操拼消耗。
曹軍連失重地，只能在南鄭等據點堅守，時間長了後勤供應果然成了問題，由於吃不飽飯，曹軍士兵有不少逃跑開小差，還有些投降到敵人那裡，讓曹操很苦惱。蜀漢後來有一個挺有名的將領叫王平，多次隨諸葛亮北伐，他原來是曹軍的將領，就是在這個時候投降劉備的。王平字子均，巴西郡宕渠縣人，當時巴中部族首領杜濩、樸胡等人投降了曹操，到洛陽拜謁，王平跟著他們一塊去的，被曹操提拔為校尉。曹操此次再征漢中，王平隨軍，但是又投降了劉備，被劉備提拔為裨將軍。
眼看短時間內無法取勝，曹操萌生了放棄漢中的打算。一天，有人請示當夜的口令，曹操說了一個「雞肋」，大家不知道是什麼意思，隨征的丞相府主簿楊修聽到後就開始收拾行李（便自嚴裝），大家很驚訝，問他何故，楊修說：「雞肋這個東西，扔了怪可惜，吃吧又沒什麼味道，這就好像是現在的漢中，我因此知道魏王想撤軍了。」
楊修的理解是正確的，曹操實在不想把主力部隊長期集中在漢中這個大山中的小盆地裡，合肥一線的孫權，襄陽一線的關羽，還有北方的公孫氏和烏桓人，哪一個都不讓他省心。近一兩年來，各地又頻頻發生叛亂活動，曹操已經有了心力交瘁之感，於是曹操下令從漢中全線撤退。
建安二十四年（219）5月，曹軍正式撤往關中，漢中再次易手，這塊戰略要地在曹操手裡前後才不到三年。
曹操和劉備幾乎打了一輩子仗，在以往的交鋒中總是曹操佔上風，漢中之戰是他們直接面對面的最後一次交手，這一次劉備卻贏了，而且贏得很徹底，不僅拿下了漢中郡，其東邊的房陵郡、西城郡和上庸郡三個郡也都收入劉備的囊中。
劉備佔領漢中後要派人取這三郡，法正推薦了孟達，劉備於是任命孟達為宜都郡太守，讓他率部從秭歸出發，進攻房陵郡。孟達是個能幹的人，一鼓作氣拿下了房陵郡，順便把郡太守蒯祺殺了。蒯祺，是諸葛亮的姐夫。
劉備派養子劉封從漢中出發，沿漢水南下與孟達會合，劉備特別明確，劉封到了房陵後可以領導孟達。這項決定看來很有問題，因為劉封此時的軍職不過是副軍中郎將，孟達作為郡太守無論年齡、地位還是功勞都遠高於劉封，所以孟達對劉封很不服氣，為日後矛盾爆發埋下了伏筆。
有的史書認為，劉備擔心對孟達難以控制，才派劉封與他會合，劉備一定會把此去的真正意圖告訴劉封，所以劉封才一直不把孟達當回事。
劉封指揮孟達繼續攻打上庸郡，上庸郡太守申耽投降，為籠絡申耽，劉備拜他為征北將軍，這一軍職甚至超過了馬超，同時還讓他兼任上庸郡太守，拜申耽的弟弟申儀為建信將軍，兼任西城郡太守。
曹操辛苦經營的漢中、房陵、上庸、西城一線全部落入劉備手中。
漢中之戰是曹操、劉備這兩個老對手直接指揮的最後一戰，漢中大捷成為劉備一生事業的頂點。
此戰後，劉備的個人聲望達到了空前高度。不僅聲望，一下子得到了漢中等四郡，使劉備的勢力版圖也空前擴張，論地盤和實力劉備已絲毫不遜色於孫權了。至此，說「天下三分」才實至名歸。
漢中之戰發生在建安二十四年（219），早在三年前曹操就進行了一次重大的政治改革，自稱魏王。圍繞著這場政治改革有許多複雜的過程，出於條理性的考慮，將其放在後面集中敘述。現在，劉備手下很多人認為曹操可以稱魏王，劉備也應該稱王，與曹操平起平坐。
按照漢朝的政治制度，天子只有一個，姓劉。下面是「王」，雖然可以有很多，但也必須姓劉。本朝奠基之初，高祖劉邦領著大家殺白馬盟誓，異姓不得稱王，否則天下人可共誅之。曹操有實力直接稱帝，但他沒有那麼做，只是把高祖定下的規矩改了，當上了「異姓王」。
漢朝的「王」都有封地，稱「王國」，在行政規劃上一般等同於郡，所以漢朝在州的下面是郡或者國，稱「郡國」。曹操稱魏王后，也相應地設立了一個「魏國」，只是範圍比一般的劉氏王國大得多，包括十個郡，比普通的州都大。
劉備的手裡現在大概有三十多個「郡國」，雖然比不上曹操，但比孫權多。而且，曹操姓曹，劉備卻姓劉，劉備一向打著「興復漢室」的旗號，所以他要稱王反彈小得多。
劉備綜合了各種考慮後，決定稱王。曹操從漢中撤走兩個月後，即建安二十四年（219）7月，劉備在漢中稱漢中王。這項新職務不同於之前的益州牧，既不能表奏，也不能遙拜，劉備使用的方法是「勸進」。在漢中，劉備手下120名重要官員聯名向遠在許縣的漢獻帝劉協上了一份奏表，報告漢獻帝大家一致推舉劉備為漢中王，仍兼任大司馬。之後劉備下令在漢中郡沔陽縣做壇，該地屬今陝西省勉縣。
壇成，陳兵列陣，舉辦了稱王儀式，劉備手下重要人物大部分都在漢中，共同見證了這一重要時刻。
儀式上，宣讀了準備送呈漢獻帝的表奏，之後劉備登壇，拜受漢中王璽綬，戴上王冠。隨後，劉備又以漢中王的身份再向漢獻帝上了一份奏表，在後面這篇表文裡，劉備重申了群下奏表中的內容，強調了自己憂國效忠的想法。兩篇奏表都派人送往許縣，一同送去的還有當年曹操以漢獻帝名義拜劉備為左將軍、宜亭侯的印綬。
劉備稱王后，立穆夫人為王后，立劉禪為王太子。
穆夫人即吳氏，劉焉的前兒媳、吳懿的妹妹。穆夫人與劉備成婚時間雖不長，卻很快為劉備生下了一個兒子，取名劉永。劉備深知立嗣問題異常重大，稍有不慎就有滅國之災，前車之鑒已多不可數，所以直接明確了長子劉禪的接班人地位。
劉禪這時12歲，他的母親甘氏已去世多年。劉備任命董允為太子舍人，負責輔導和輔佐劉禪，這個官職雖然品秩不高，但地位重要。
劉備還可以任命「漢中國」的文武百官，包括三公九卿以及侍中、尚書令等。曹操稱魏王后沒設三公，只設了一個相國，相當於王國的丞相。劉備既沒有恢復三公，也沒有設置丞相或相國，而是設立了一個太傅，這是一個榮譽性職務，劉備任命的是許靖，論名望和資歷也只有他能勝任此職了。
下面的九卿，能考證的只有太常卿賴恭、光祿勳卿黃柱和少府卿王謀，除王謀外他們的事跡都很少，應該跟許靖類似，都是一些有名望卻不掌實權的人。
侍中與九卿品秩相同，都屬於「部長級」，擔任此職務能考證的只有廖立。尚書令品秩雖低於九卿和侍中，但權力很大，相當於「漢中國」的秘書長，劉備任命了法正。
劉備以漢中王的身份任命關羽為前將軍，張飛為右將軍，馬超為左將軍，黃忠為後將軍。前、後、左、右所謂四方將軍在軍中地位很高，僅次於大將軍、車騎將軍、驃騎將軍和衛將軍，高於四征、四鎮將軍，相當於大軍區司令。
在醞釀這項人事安排時諸葛亮曾有不同意見，他對劉備說：「黃忠的名望一向不如關羽、馬超，現在和他們同列，馬超、張飛在跟前還好辦，目睹了黃忠的功績，尚可以理解；而關羽不在跟前，他聽說了，恐怕不會高興，是不是再慎重考慮一下？」劉備一向尊重諸葛亮的建議，但這次他堅持自己的看法，他對諸葛亮說：「關羽那邊，我自會去做他的工作。」
完成稱王儀式，劉備將率主力回成都。
漢中雖是一個郡，但在眾人心目中此時跟荊州的重要性不相上下，所以必須挑選一個與關羽旗鼓相當的人鎮守這裡。眾人議論較多的人選是張飛，就連張飛自己都這麼認為。但當劉備把留守漢中的正式人選公佈後所有人都大吃一驚，劉備選的人不是張飛，也不是黃忠或趙雲，他選的是魏延，這個任命太出人意料，軍中上下一片驚訝。
魏延此前是牙門將軍，雖然升得夠快的了，但在軍中的地位並不算太高。劉備下令提拔魏延為鎮遠將軍，兼任漢中郡太守，負責漢中一帶的軍政事務。
曹操用人一向講究程序，越級提拔是孫權常幹的事，現在劉備也出人意料地幹了一回。對於劉備做出這個重要決定的深意，歷來也備受猜測，有人認為這表明劉備的防範心理很重，提拔新人，是在培養和強化絕對聽從於自己的勢力。
但也許沒有這麼複雜，劉備善識人，他瞭解每個部下的優點和缺點，張飛雖然資歷老、威望高，對自己的忠誠更沒有問題，但現在要的不是將而是帥，有的人永遠是將才而非帥才，同樣都很勇敢，同樣能打硬仗，張飛或許顯得頭腦有些簡單，而魏延就靈活得多。
劉備也知道提拔魏延有的人心裡肯定不服，所以有意力挺。行前，劉備特意召集群下大會，故意當著大家的面問魏延：「如今委你重任，你有什麼打算？」魏延很有信心，他氣壯山河地回答：「如果曹操傾天下之兵而來，我替大王擋住他；如果曹操只派一般將領帶10萬人馬前來，我替大王吞了他！」
魏延的回答讓劉備很滿意，立即表示讚許，眾人也被魏延的豪言壯語所折服。