1、關西起兵：西北其中一支軍隊馬騰軍，本來擁兵自重，所以曹操在南下之前，便以漢室之名召馬騰到京都爲官，令其子馬超不敢妄動。後曹操於208年赤壁大敗，幸而能守住合肥，不被孫權攻下(詳見合肥之戰)，加上孫權與劉備結成聯盟，所以曹操加強南方的防備，轉向西部拓展勢力。 211年三月，曹操派鍾繇出兵討伐漢中的張魯，另派夏侯淵等率兵至河東與鍾繇軍會合。高柔曾勸諫曹操：「大兵西出，韓遂、馬超疑爲襲己，必相扇動。宜先招集三輔，三輔苟平，漢中可傳檄而定也。(大軍西出，韓遂、馬超等必會懷疑是襲擊自己，必定互相煽動。宜先平定三輔(關中)，三輔(關中)平定了，漢中只要傳送檄文便可平定了。)」曹操不聽，繼續發兵。
關中各將果然產生懷疑，馬超、韓遂、侯選、程銀、楊秋、李堪、張橫、樑興、成宜、馬玩等十數部軍起兵反抗，集結了十萬羌、胡、漢人混雜的軍隊，屯於潼關，準備進攻，弘農、馮翊多個縣邑起兵響應，百姓都從子午谷逃入漢中。曹操便派曹仁督各將領前往抵擋，敕令他：關西兵精悍，堅壁勿與戰。(關西軍精壯強悍，只要堅守，不要和敵人交戰。)
2、曹操出動：七月，受形勢所迫，曹操只得親自率軍進擊馬超等，留曹丕守鄴城。(通過多次交戰)許多人都認爲：「關西兵彊，習長矛，非精選前鋒，則不可以當也。(關西兵強，擅用長矛，如不是精選的前鋒，則不可以抵擋。)」曹操卻認爲：「戰在我，非在賊也。賊雖習長矛，將使不得以刺，諸君但觀之。(戰爭的主動權在我，不是在敵人。敵人雖然擅用長矛，我便令他們不能刺，各位拭目以待吧。)」(曹操靈活地運用戰略，避免野戰而採取堅壁不出的策略。)
八月，曹操抵達潼關坐鎮，與馬超等互相對峙。每當關西聯軍一部一部的到來，曹操總是十分高興。各將領不明，問他何以如此高興?到了戰勝後，曹操終於說出了理由：關中長遠，若賊各依險阻，徵之，不一二年不可定也。今皆來集，其衆雖多，莫相歸服，軍無適主，一舉可滅，爲功差易，吾是以喜。(關中路途遙遠，若果敵人各依險峻地勢防守，出兵討伐，沒有一、二年也不可平定。現今他們全部一起聚集，人數雖多，但互相都不歸服，聯軍中無合適統帥，一舉便可以消滅他們，比起他們各自防守，現在容易多了，所以我感到高興。)
3、渡河作戰：曹操向關西聯軍裝出要與他們大戰的軍勢，但另一方面聽從徐晃等人的獻計，派徐晃、朱靈率四千步騎北上渡河，再到浦阪津過河，在河西設營。
馬超查覺到了曹軍的動向，便與韓遂商量：“敵人向北渡河，肯定是想繞到我們後面去形成合圍之勢，我們可以派人在渭水北面沿黃河把守，這樣不出二十天，黃河東面的曹軍就會糧草用盡，那麼黃河東面的曹軍就不戰自潰了”。但是韓遂不同意馬超的策略，卻說：兵法雲半渡而擊之。於是，馬超的策略沒有得到實施，(朱靈等順利地從浦阪津過河，對聯軍形成合圍之勢，聯軍不得以提出割地求和)。後來曹操聽說了馬超的策略後，感慨地說：馬超如果不死掉，我就沒有葬身之地了!閏八月，曹操親自由潼關北渡黃河。先將大軍移至北岸，只有曹操和許褚等虎士百餘人留在南岸負責斷後。
馬超不期而至，率萬多人襲擊(想必十萬聯軍中，屬於馬超的也就這萬餘人)，亂箭齊發，矢下如雨。但曹操仍然在胡牀上不動，許褚見勢危，立刻扶曹操上船，船伕卻被流矢射殺，許褚左手舉着馬鞍作盾，爲曹操擋箭，右手則拚命撐船，數次中箭。駛了四、五里，馬超軍仍不斷追趕、射箭，大軍都不知曹操安危，十分擔心。這時渭南縣令丁斐命人放走牛馬，用以作餌引敵人，關西聯軍果然放棄追剿，趕緊追捕牛馬，曹操最後才成功渡河。各人見曹操平安無事，悲喜交集，但曹操卻大笑：「今日幾爲小賊所困乎!(自我解嘲地說：今天差點兒被小賊給了結了呀!)」
便與徐晃軍會合，沿河的道路向南行。聯軍至渭口防守，曹操便設置多隊疑兵，派另一部隊乘船渡過渭水，架起浮橋，於夜中在渭南結營。馬超等率兵攻打，被曹軍伏兵擊破。馬超等屯兵日久，派使各者向曹操要求割讓河西爲和約，但曹操不答應。九月，曹操渡過渭水，進駐渭南的營地，馬超等曾數次前往挑戰他，曹操並不應戰，只守不攻。當時，曹操曾與韓遂、馬超單馬會面，曹操只帶著許褚前往。馬超憑着自己武藝高強，想暗地裏突擊去活捉曹操。不過馬超聽過許褚的勇武，加上知道了在渭水中勇救曹操的人便是許褚後，擔心計劃不能成功反而危險很大，這時許褚眼睛瞪著馬超，顯然已經發現了馬超的意圖，於是馬超便放棄了突擊的計劃。轉問曹操，聽說你軍中有個叫“虎侯”的，人在哪裏?曹操指着許褚，馬超印證了自己的想法。事後，曹操誇獎許褚說，“沒想到賊也知道有個虎侯呀”!
渡過河後，曹操營寨多次被擅長野戰的西部聯軍衝破，苦於沒有辦法的時候，有人提醒曹操，此時天寒(九月份，其實差不多是農曆十月份了)，可以擔沙潑水築城，曹操聽從了建議，果然一夜間築成了冰城。第二天聯軍到了以後，非常吃驚，以爲有神靈在幫助曹操。
4、離間之計：關西聯軍後路被劫，只好割地、送子質請和。謀士賈詡認爲可以假裝答應他們，曹操問他有何計策，賈詡說：「離之而已。(離間他們而已。)」曹操明白他的意思，便應許聯軍的請求。 韓遂作代表與曹操相見。曹操與韓遂父親在同一年被推薦爲孝廉，又與韓遂是同輩，曾有交情。當二人會面時，在馬上不談軍事，只說當年在京都的舊事，拍手歡笑。曹軍又列出五千鐵騎作十重陣，精光耀日，聯軍驚訝，紛紛前來看曹操是什麼人，曹操笑着對他們說：「爾欲觀曹公邪!亦猶人也，非有四目兩口，但多智耳!(你們都想看曹某吧!我也只是一個普通人，不是有四隻眼、兩個口，只是較多智謀罷了!)」
會面結束，馬超等問韓遂：「公何言!(你和曹操說了什麼!)」韓遂卻回答：「無所言也。(沒有什麼。)」馬超等對韓遂的態度十分懷疑，擔心他與曹操私下聯繫。過了幾天，曹操給韓遂書信，信中卻在多個言詞上塗塗抹抹，改來改去，就像是韓遂改動一樣;馬超等疑心愈來愈大，曹操便趁此時與聯軍約定決戰。曹操先以輕兵前往挑戰聯軍，與聯軍混戰了很久，曹操最後便出動王牌虎豹騎夾擊聯軍，聯軍大敗，曹軍斬殺了成宜、李堪等人。韓遂、馬超便敗走涼州，楊秋則前逃往安定。潼關之戰以此結束。
