刘备并不因为吴兰被杀、张飞退军，而放弃他的攻取汉中的计划。他自己也已经率领了十万左右的兵，到达前方，向着阳平关进军（当时的阳平关，在今日陕西沔县的西北，不在宁羌县的西北）。
刘备一举而占领了阳平关，在阳平关停顿了一些时候，于建安二十四年的春天，带军队向南，渡过汉水的一个支流沔水，依着当地的山势，逐步向南移动，选定了定军山的山坡之下扎营。
夏侯渊不知是计，用了全力来冲刘备在这山坡之下新扎的营，没想到刘备已经在事先命令黄忠率兵埋伏在定军山山头之后。黄忠于曹军冲击刘军正冲得激烈之时，突然“乘高鼓噪”而下，给曹军以侧击与俯击，不仅把曹军杀得溃不成军，而且当场杀掉了作为曹军主帅的夏侯渊，连带也杀了曹操所任命的“益州刺史”赵颙。
曹操接到报告，亲自带了大军由长安经斜谷前来，准备与刘备拼个你死我活；很快，就到达了“遮要”。
刘备却不肯、也不敢与曹操拼，守住了阵地，说什么也不把自己的将士放出来与曹军交锋。
就这样，曹军天天喊打，刘军理也不理。两军相持了一个多月，刘备收获到心理作战的成果：曹军的兵士，纷纷逃亡，逃亡得一天比一天多。原因不是没有粮食，曹军的粮食多得很，而且后方也不曾被切断。原因是什么呢？是刘军的这一边懂得揭发曹操的真面目：“名为汉臣，而实为汉贼”。每逢曹、刘对垒，常常在曹的后方有人作刘的内应。以前，有昌豨与雷绪；以后，在诸葛亮第一次出兵祁山之时，又有南安、天水、安定，三个郡的官吏与人民，一齐起而响应诸葛亮的号召。
曹操决定下令撤军。走前，他说了一句“阿Q式”的聊以解嘲的话：“我本来就不相信刘备有如此的能力。他身边现在有了人才（所指的，是法正）。”
以前，他在赤壁乌林被孙刘两军烧去他的兵船，杀得他的军队狼狈而逃之时，他也说两句“阿Q式”的话：一句是：“船是我自己烧的。”另一句是：“孤不羞走（我并不认为退走是难为情的事）。”
曹操不仅撤退了他带来的大军，也下令所有滞留在汉中三郡的大小部队，一概离开。
于是，刘备占有了汉中三郡：原来的汉中郡，加上曹操所分设的西城郡与上庸郡。
汉中郡于定军山之战以后，立刻被占领；西城郡也没有什么抵抗。上庸郡远在今日的湖北西北部，曹操的太守申耽不肯望风而降。刘备派了养子刘封与宜都太守孟达，对申耽用武力威胁，申耽才终于投降。
刘备不仅仍叫申耽当上庸太守，而且也任命了申耽的弟弟申仪，当西城太守。刘封由“副军中郎将”被升为“副军将军”。另一个荆州的新设的郡房陵，也已经被孟达于攻击申耽以前，打了下来，房陵郡的太守蒯棋，死在孟达之手。
这一次定军山之役，倘不是黄忠把下山俯冲的作战命令，执行得有声有色，则刘备能不能获胜，大有问题。因此，刘备立刻把黄忠由“讨虏将军”升为“征西将军”。黄忠与刘备的关系，也慢慢地比得上关、张二人与刘备的关系了。
京剧之中的《定军山》，词儿好。它使得黄忠的英名，为将近两千年后的现代中国人所家喻户晓（美中不足的是：把黄忠描写成主将。他当时不是主将，主将是刘备自己）。
刘备一生打过了不少次的仗。真正是由他本人指挥所打胜的，次数不多。这一次定军山之战，是最精彩的一次。赤壁乌林之役，负责指挥主力（孙军）的，是周瑜。后来，攻破刘璋的雒县是围了很久才攻破的。在成都，并未破城，是刘璋自己开城投降。早年，帮陶谦守郯城，守住了，那只是与曹操的一次小接触。