当下刘备点选众将，选了关羽、吴懿二人领兵五千沿着沔水南岸披荆斩棘前进，一路走一路修建简易营垒以供后续的粮草转运之用。大军艰难前行，历时二十余日到达定军山，随后沿山立起营寨，占住险要，并向后催要粮草军械。
刘备闻听关羽等人占了定军山，顿时大喜，当即留张飞、邓铜、雷定等人一万七千人继续堵在阳平关前，刘备则自率其余兵马转道从沔南进兵，往定军山进发。
却说定军山距离米仓山并不远，夏侯渊闻听定军山中出现了刘备兵马，顿时大惊，当下急留杜袭把守米仓山小道，自领一万大军往定军山来，眼见山上关羽、吴懿将营寨修建的十分坚固，旌旗招展，兵马极多。
当下夏侯渊挥军猛攻一阵，却都被山上的如雨一般密集的羽箭射回。夏侯渊攻不下山上营寨，又忌惮关羽勇猛善战，无奈之下只得命令众军在定军山的各处山口摆放鹿角，树立寨栅，意图将刘备大军堵死在山中，不给敌军下山袭击汉中腹地的机会。
与此同时，夏侯渊又写了书信，叫把守阳平关的曹洪分兵前来增援。曹洪接到书信，当即命张颌、郭淮、夏侯尚领兵一万五千人去定军山助战。
关羽见夏侯渊修筑营垒，当下领兵下山与夏侯渊战了几场，双方互有胜负，但关羽兵少，即便占着居高临下的优势突袭，却也始终无法阻止夏侯渊建设营垒。很快，夏侯渊便指挥众军用鹿角木石将所有山口堵住。
如此过了数日，张郃、郭淮、夏侯尚领兵到来，与此同时，益州刺史赵顒也督率数千民夫赶到，于是夏侯渊集结众军，准备再次进攻关羽。
双方正战之间，刘备率领的主力终于陆续赶到，夏侯渊见状，只得退守营垒，与刘备大军相持。
两军对峙了十余日，刘备待后方粮草稍稍运送集结齐全，士卒也休息完毕，恢复了体力之后，便即开始猛攻夏侯渊的营垒。因山道艰险，大军难以展开，于是刘备精选了善于山地作战的精兵一万人，分为十部，命刘封、袁龙、丁咸、丁立、白寿、宗预等人率领，轮番冲击曹军营垒。
夏侯渊派张郃率领精兵奋力反击，将刘备大军连绵不断的攻击一一反击了回去。
刘备见中央突破的战法失效，于是改为全线出击，分兵在定军山绵延数十里的各处山口上展开猛攻。
夏侯渊见状，也只得分兵把守，因为战线太长，只得分段指挥。夏侯渊率领精兵一万五千人自守最重要的南部，委派张郃领兵一万驻守东部。
如此又战了数日，曹军的变化被敏锐的法正发现了，当下建议刘备亲率主力前去猛攻张郃，只留关羽率领五千精兵牵制夏侯渊。刘备欣然同意，当下领着赵云、陈到、吴懿、刘封、袁龙、丁咸、丁立等大将，领兵三万猛攻张郃。
激战数日，张郃兵少，抵挡不住人多势众且又惯于山地作战的荆州兵，只得急忙向夏侯渊求援。
夏侯渊见东部危急，而南部这边关羽兵少，又接连多日按兵不动，于是分出一半兵马，遣杜袭率领增援张郃。
驻兵于山上的关羽、法正看见，知道战机到来。当下法正叫关羽领三千精兵潜伏在半山腰上，法正则自领少量兵马，多插旌旗驻守山顶营寨。双方约定，只看山顶红旗招展，关羽便要杀下山去，突袭曹军。
安排妥当，法正分派白寿、宗预各领千人，多带火把前去焚烧曹军营垒。二将依计行事，奋力冲杀，虽未能突破曹军，但也对营垒鹿角造成了许多破坏。
待到白寿、宗预被击退后，夏侯渊便急令士兵修补营垒。夏侯渊一向爱兵如子，与士卒同甘共苦，攻则在前，退则在后，因此麾下士卒皆能死战。数十年的从军经历养成了夏侯渊身先士卒的用兵风格，此时命士卒修补鹿角，为了激烈士气，夏侯渊身为主帅，竟然不辞劳苦，亲自与士卒一起搬抬鹿角木桩，修补营寨外围的鹿角。
干了一会儿，夏侯渊不由汗流浃背，燥热难当，当下脱去铠甲散热，只穿掩心镜护住前胸。
法正在山上看的真切，急忙将红旗一招，关羽见状，当即领兵冲下山来，众军宛如下山猛虎，来势凶猛。
夏侯渊此时正在营垒外围，既来不及撤退，也来不及穿甲，措手不及之下，被关羽猛冲至跟前，手中青龙刀一挥，顿时刀出如龙，将夏侯渊连头带肩劈为两半。
一众曹军大惊，士气大跌之下，纷纷掉头就跑。关羽挥军掩杀，一举突破夏侯渊的营垒，临阵再斩了曹操所置之益州刺史赵顒。
曹军更是混乱，被关羽驱赶着从西南至东北，将曹军营垒一一全部冲散。张郃、郭淮、夏侯尚等人闻听夏侯渊，赵顒战死，又见全军有崩溃之势，慌忙领着众军撤退，一番厮杀，总算带着残军杀出山口，一路奔逃至米仓山营寨，与汉中太守杜袭会合。
这一战，刘备军阵斩曹军四五千人，俘虏士兵七千余人，民夫六千，缴获粮草军资无数，大获全胜。
刘备喜不自胜，重赏关羽及其余有功将士。关羽也自感扬眉吐气，一扫丢失荆州的郁闷之气。
当下刘备留下丁咸、丁立把守定军山各处山口，兼且看押战俘。随后领着众军出山前出至汉水，准备进攻南郑。
此时退到米仓山大营的曹军因失去了主将夏侯渊，兵马折损过半，因此士气十分低落。众军急需重新确