中夺取益州。刘备和孙权都是曹操难以制服的劲敌，邻近益州的张鲁则是军事力量薄弱的一环。曹操如不进取汉中，张鲁势必被刘备吞并。因此，曹操于杀伏皇后、并迫使献帝立自己的女儿曹节为皇后之后，于建安二十年（215年）三月亲自引军西征张鲁。四月，从陈仓（今陕西宝鸡市东）出散关（宝鸡市西南五十二里），至河池（今甘肃徽县西北十五里）。氐王窦茂众万人，恃险不服。五月，操攻屠之。秋，操军至汉中西部的重要关头——阳平关，张鲁欲降，其弟卫不肯，率众数万拒守，拦山腰筑了一道长十余里的城墙。操攻阳平山上诸屯，山峻难登，士卒伤亡甚多，军粮将尽。操无计可施，乃使夏侯惇、许褚呼唤山上进攻部队退却。但却发生了一偶然事件，使敌人不攻自破。

    事情是发生在这天黑夜，操先行部队因迷路，误入张卫别营，营内军士见操军突然到来，惊惶失措，四处奔逃。操文臣辛毗、刘晔首先看到这种情况，告知夏侯惇等速去占领营地。夏侯惇还不相信，直到他亲自向前看了，才向曹操报告。操喜出望外，指挥诸军一齐出击，张卫等当夜逃遁。

    张鲁闻阳平失陷，恐惧欲降，功曹阎圃曰：“今以迫往，功必轻；不如依杜濩（賨人渠帅），赴朴胡（板楯蛮渠帅），与相拒，然后委质，功必多。”鲁乃经南山（今陕西勉县南四川南江县北）逃入巴中（今四川南江县南）。鲁部属欲尽烧所有宝货仓库，鲁曰：“本欲归命国家，而意未得达，今之走，避锐锋，非有恶意。宝货仓库，国家之有”。遂封藏而去。

    操入南郑，见仓库完好，意甚嘉之，又知鲁本有降意，乃遣人前往抚慰劝喻。鲁即率家属出降。操拜鲁为镇南将军，封阆中侯，邑万户。鲁五子及阎圃等皆封侯。

    操有汉中，对益州构成重大威胁，故当鲁逃入巴中时，备即派军迎接，虽未迎得鲁，但得占有巴中。操将张郃前来争夺，为张飞所拒，双方相持五十余日，飞率精卒万余人，从他道邀郃交战，山道狭窄，前后不得相救，飞遂破郃，郃弃马缘山，独与麾下十余人从间道退还南郑。

    汉中是益州咽喉，被操占领后，成为刘备家门之祸，所以备势必来争。但备新得益州，一时尚无力来夺取汉中；操因山路险远，粮运困难，取得汉中，尚且非易，更无力再图益州。于是操留夏侯渊、张郃、郭淮等镇守汉中，自己引军北归。