曹操用兵西北，平定马超、韩遂，无疑是其整个战略布署中必走的一步。但这并不是他的终极目标，他是要在此开辟出进一步用兵的大环境，从而夺取汉中，窥视益州，在统一事业上走出更大的一步。所以，他自南征孙权的前线返许后，又经过近半年的时间巩固在朝权力，杀伏后，立己女为汉献帝皇后，进一步使汉献帝完全成为掌上之物。完成几件大事后，他便又一次带兵亲征张鲁以取汉中。
汉中(治今陕西南郑)地处益州北部，入蜀要冲，是历代兵家必争之地。时张鲁为汉宁太守，雄据巴、汉已三十余年了。
张鲁，字公祺，沛国丰(今江苏丰县)人，祖父张陵，客居于蜀，学道鹄鸣山中， “造作道书以惑百姓，从受道者出五斗米”,因而人称其教为“五斗米道”。张陵死后，其子张衡行其道；衡死，衡子张鲁继续行其道。史载，张鲁母有姿色，兼挟鬼道，常常往来益州牧刘焉家。由于有这层关系，刘焉遂任张鲁为督义司马，与别部司马张修共同率兵掩袭汉中太守苏固，断绝斜谷之路。张鲁既得汉中，遂即杀了张修而并其众，成了汉中的土皇帝。刘焉死后，子刘璋代立，因张鲁不顺服，刘璋把张鲁的母亲及全家统统杀了。张鲁、刘璋因此势不两立。
张鲁据汉中，以鬼道教民，自号“师君”。学道者，初来皆名“鬼卒”;受道已信(深)者，号“祭酒”。祭酒各领部众，部众多者为治头大祭酒。其五斗米道的教义，主要有三点，一是要求做人诚实， “皆教以诚信不欺诈”,如果生病，要求病人自我反省有没有做错事，即“自首其过”。二是各祭酒“皆作义舍”,义舍内备有义米、义肉，行路人可以根据自己的饭量“量腹取足”。据说，如果取之过量，鬼道会使其生病的。三是对犯法的人可以赦免三次，如果仍不改正，再按律给以相应的刑事处罚。张鲁据汉中全以五斗米道教民、驭众，因此“不置长吏，皆以祭酒为治”。张鲁的统治，得到百姓的拥护，所以“民夷便乐之”,使他能够雄踞巴、汉三十年。史载，汉末，朝廷对张鲁毫无办法， “力不能征，遂就宠鲁为镇民中郎将，领汉宁太守，通贡献而已"。
对于张鲁之地，孙、刘、曹三家均欲得之。在东吴，周瑜曾献计“取蜀而并张鲁”。孙权曾想把刘备尽早赶出荆州地盘，表示愿与刘备一起取蜀，因而遣使对刘备说： “米贼张鲁居王巴、汉，为曹操耳目，规图益州。刘璋不武，不能自守。若操得蜀，则荆州危矣。今欲先攻取(刘)璋，进讨张鲁，首尾相连，一统吴、楚，虽有十操，无所忧也。”刘备对此，一是不愿轻易让出荆州；二是准备以自己的力量伐蜀而绝对不让孙权参与，因而自然拒绝了孙权的所谓“先取刘璋，进讨张鲁”的谋划。
刘璋居益州而让刘备入蜀的一个重要原因也是因为试图击败张鲁据有汉中以自强。建安十六年(211),刘璋听闻曹操将遣钟繇等征讨张鲁，内怀恐惧，不知如何是好。别驾从事张松意欲把刘备引入蜀，因对刘璋说： “曹公兵强无敌于天下，若因张鲁之资以取蜀土，谁能御之者乎?”然后给刘璋出主意： “刘豫州(备),使君(指刘璋)之宗室而曹公之深仇也，善用兵，若使之讨鲁，鲁必破。鲁败，则益州强，曹公虽来，无能为之。”刘璋上了张松的当，遂遣另一个早已倾心刘备的法正率兵四千人迎接刘备入蜀，法正乘便向刘备“陈益州可取之策”。天赐良机，刘备遂留诸葛亮、关羽等据荆州，自己将兵数万人入蜀。史载， “至涪(今四川绵阳),璋自出迎，相见甚欢”。刘璋推刘备行大司马，领司隶校尉；刘备推刘璋行镇西大将军，领益州牧。 “璋增先主兵，使击张鲁。”其实，刘备欣然答应。刘备的主要目标是取益州，而不是汉中，所以答应北击张鲁，只不过是为了掩饰其真正的目的罢了。刘备为了做样子给刘璋看，自涪北到葭萌(今四川广元西南),向北进发了相当一段路程。按说，葭萌离汉中已不甚远，但刘备却“未即讨鲁”,而是兵扎葭萌，驻军不前， “厚树恩德，以收众心”。刘备意取益州之谋，不久便暴露了。刘璋杀死张松，立即“敕关戍诸将文书，勿复关通”刘备，但为时已晚。刘璋远非刘备对手，建安十九年(214),刘备破蜀取刘璋代为益州牧。随后，刘备积极谋划拉拢张鲁。建安二十年(215), “遣黄权将兵迎张鲁”,但晚了一步，使将到，张鲁已降曹操。
由上可见，孙刘都很重视汉中，都把张鲁作为征讨或争取、拉拢的对象。原因就在于汉中的重要战略地位。对此，曹操当然是志在必得。
建安二十年三月，曹操一方面发密教教张辽、乐进、李典以抵御孙权之策；另一方面便亲自率兵返回西北，征讨张鲁。
曹操攻打张鲁，将自武都(今甘肃成县西)入氐人所居地，氐人堵塞了道路，进行抵抗，曹操无法通过，即遣张郃、朱灵等大破氐寨。四月，曹操自陈仓(今陕西宝鸡县)出散关(陈仓西南)入河池(今陕西凤县西北之凤州),氐王窦茂众万余人，恃险不服。五月，曹操历尽艰难，终将氐王的防御攻破。史称“攻屠之”,大概又杀了不少人。
秋七月，曹操的军队至阳平关(今陕西勉县西)。张鲁见曹操大军临近，欲举汉中全郡投降，但其弟张卫不肯。张鲁使弟张卫与将杨昂等率众数万人“据关坚守，横山筑城十余里”。根据山势构筑起来的工事，既陡且峭，甚难攻打。起初，曹操听凉州从事和武都降人说，攻打张鲁没有什么困难，因为阳平城下南北两山相距很远，很难把守。曹操信以为然，及至实地，阳平所在之地实乃“连峰接崖，莫究其极”。曹操攻阳平山上诸屯，山峻难登， “既不时拔，士卒伤夷者多……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”。或谓这是曹操的用兵之计。曹操故意引军退，张鲁军见曹操大军已退，守备遂懈，曹操乘机密遣解测、高祚等乘险夜袭，大破鲁军，斩其将杨任，进攻张卫，张卫等夜遁，张鲁逃奔巴中。
张鲁闻知屏障之险阳平关已失陷，更知再作抵抗已毫无意义，准备归降。部下阎圃同意张鲁的投降主张，但觉得时机对己不利，因对张鲁说，现在被迫归降，功必轻，先抵抗一阵子，说明自己尚有势力，然后主动投降，情况就不同了，其功肯定要比被迫投降多得多。张鲁接受了阎圃的建议， “乃奔南山，入巴中”。走前，部属想烧掉全部宝货仓库，张鲁对大家说： “本欲归命国家，而意未达。今之走，避锐锋，非有恶意。宝货仓库，国家之有。”于是，“封藏而去”。曹操入驻南郑，见府库封藏完好，对张鲁所为很是高兴，由此便知张鲁本有归顺之意，遂派人前去慰喻。
九月间，巴七姓夷王朴胡、寶邑侯杜渡率领巴夷、寶民归附。史载，这时曹操为了在外行事方便，为自己扩大了专事于外的权力，他借用天子的名义，授命自己，可以“承制封拜诸侯守相”。
既有此命，所以当朴胡、杜朴来附时，曹操遂分巴郡，以胡为巴东太守，渡为巴西太守，皆封列侯。十一月，张鲁觉得时机成熟，便尽携全家及其余众出降。曹操知张鲁来降，亲自出迎，即以鲁为镇南将军，待以客礼，封阆中侯，邑万户。同时封张鲁五个儿子及阎圃皆为列侯，并为自己的儿子彭祖娶张鲁之女为妻。
至此，曹操征张鲁取得了重大成功。十二月，曹操自南郑还，同时任命夏侯渊为都护将军，督张郃、徐晃等守汉中；命丞相长史杜袭为驸马都尉，留督汉中事。
曹操利用了孙、刘裂隙加深和西北战场连连取得胜利，群情激奋以及刘备刚刚占有益州，自领益州牧但其局面尚未稳定的时候，毅然亲征，战略是正确的、适时的。稍有迟疑，汉中就难为己有。因为刘备既取益州，始终未忘张松所说的曹操将会因张鲁之资以取蜀土的活，所以局势尚未安定，即以黄权为扩军迎接张鲁。可惜他晚了一步。在战术运用上，曹操又一次表现了杰出的才能。一是先期清除了前进路上的障碍；二是合两股兵力，逼近阳平关。其中正庆胜于陇右的夏侯渊督领张邰、朱灵等，由临夏趋武都，直抵阳平；曹操自率大将军夏侯惇、将军许褚和侍中辛毗、王粲、主簿司马懿、刘晔等，由长安至陈仓(今陕西宝鸡东),然后出散关南下至河池(今陕西凤州),进入武都郡境。两军相合于休亭(属武都郡，或即今阳平关北之巨亭),很快形成拳头。这样先夺取要塞阳平，然后东击南郑要比由长安南下，跨过秦岭而取南郑容易得多。三是巧妙地创造并把握了战机。
汉中之战是谋及长远的战争。曹操在得知刘备入蜀的消息后，即时加速了攻取汉中的步伐。他出于“割蜀之股臂”的考虑，采取了诸多不同以往的策略。是他大处着眼、谋及长远的缘故。其一， “承制封拜诸侯守相”。四五月间，曹操用兵，依然是老一套，攻城略地，动辄“屠之”;到了九月间，突然假借天子之命“封拜诸侯守相”起来了。巴七姓夷王朴胡、寶邑侯杜渡来附，均封列侯、拜郡守。及至张鲁来降，竟封张鲁及其五子和功曹阎圃等皆为列侯，还拜张鲁为镇南将军。曹操大封张鲁等人的确在于以图“将来之人孰不思顺”。
其二，曹操甚知，自己还邺，仅以夏侯渊督兵守汉中是相当困难的，不以宽容的政策笼络汉以及羌、胡将守，难以收服民心，无异悬军于绝境。所以当韩遂的部属成公英来降时，曹操大喜，即以英“为军师，封列侯”。还有一位刘雄鸣者，蓝田人，先附而后叛，汉中破， “穷无所之，乃复归降”,曹操手捉其须说： “老贼，真得汝矣!”遂复其官。时又有程银、候选等，皆河东人，兴乎之乱，各有众千余家，后与马超合，超破走，程银、侯选南入汉中，汉中破，投降曹操，曹操“皆复官爵”;马超部将庞德也投降曹操，即拜立义降军、封侯。不难看出，所有这些都是出于军事大势的考虑。
由此可见，曹操不到半年即得汉中，绝非偶然，既是实力的较量，更是谋略的胜利。