八月，曹操抵达潼关，和马超隔着潼关扎营对峙。他表面上紧逼潼关，暗中却派徐晃、朱灵率领西千步骑兵从浦阪津渡河，在黄河西岸扎营。闰八月，曹操准备从潼关北渡黄河。士兵先过河，曹操带着一百多名虎卫军留在南岸断后。马超突然率领一万多步骑兵发起攻击，箭如雨下，曹操却还坐在胡床上镇定自若。许褚赶紧扶曹操上船，划船的船工被箭射死，许褚左手举着马鞍为曹操挡箭，右手划船。校尉丁斐放出一群牛马引诱敌人，贼兵忙着抢夺牛马，曹操这才趁机渡河。之后，曹操从蒲阪渡过西河，沿着黄河修建甬道向南推进。马超等人退守渭口，曹操则设下疑兵，暗中用船运兵渡过渭水，搭建浮桥，趁夜在渭水南岸扎营。马超趁夜发动袭击，却中了曹操的埋伏，被打得大败。
马超退守渭南后，派人求和，表示愿意割让黄河以西的土地，曹操拒绝了。九月，曹操大军全部渡过渭水。马超多次挑战，曹操坚守不出。马超又坚决请求割地，并愿意送儿子做人质。贾诩建议曹操假意答应。曹操问接下来该怎么办，贾诩说：“离间他们就行。”曹操立刻明白了。韩遂请求和曹操见面，两人以前有交情，于是骑着马交谈了很久，却不聊军事，只回忆在京城的旧事，说说笑笑。当时，马超等西凉将士和胡人士兵挤在周围围观，曹操笑着对他们说：“你们想看曹公长啥样？我也和普通人一样，没西只眼睛两张嘴，只是智谋多一些罢了！”
见面结束后，马超等人问韩遂：“曹操说了什么？”韩遂说：“没说什么。”马超等人起了疑心。过了几天，曹操又给韩遂写信，故意在信上涂改很多地方，像是韩遂修改过的样子，马超等人对韩遂更加怀疑。曹操见时机成熟，约定日期决战。他先用轻装部队挑战，打了很久后，突然派出虎豹骑夹击，西凉军大败，成宜、李堪等将领被杀。韩遂、马超逃往凉州，杨秋逃往安定。
战后，将领们问曹操：“一开始贼兵守住潼关，渭北道路空虚，您不从河东攻打冯翊，反而在潼关对峙，过了很久才北渡黄河，这是为什么？”曹操解释说：“贼兵守潼关，如果我进兵河东，他们必然分兵把守各个渡口，那西河就没法渡了。所以我大张旗鼓逼近潼关，贼兵果然全部南下防守，西河守备空虚，徐晃、朱灵才能顺利拿下西河。之后我北渡黄河，贼兵不敢和我争夺西河，就是因为有这两位将军在。我用车辆连接、树立栅栏，修甬道向南推进，既能保证不被打败，又能让敌人轻敌。渡过渭水后坚守营垒，敌人来攻也不出战，就是为了让他们骄傲自大，所以他们不修建营垒，反而来请求割地。我顺着他们的意思答应，是为了让他们放松警惕，等我养精蓄锐后，突然发动攻击，这就是‘疾雷不及掩耳’。用兵的变化，从来都不是固定的。”
刚开始，关中各路叛军每来一部，曹操就面露喜色。将领们问原因，曹操说：“关中地域辽阔，如果贼兵各自凭借险要地形据守，我们征讨起来，一两年都平定不了。现在他们都聚集在一起，人数虽多，但互不统属，没有统一的主帅，我们一举就能消灭他们，反而更容易成功，所以我高兴。”
十月，曹操从长安向北征讨杨秋，包围安定。杨秋投降，曹操恢复了他的爵位，让他留下来安抚百姓。十二月，曹操从安定返回，留下夏侯渊驻守长安，任命议郎张既为京兆尹。张既积极招抚流民，恢复县城，深受百姓爱戴。马超、韩遂叛乱时，弘农、冯翊很多县都响应，但河东百姓始终没有反叛。曹操和马超隔着渭水对峙时，军粮全靠河东供应。打败马超后，河东还剩下二十多万斛粮食，曹操于是将河东太守杜畿的俸禄提升到中二千石。
在益州，法正担任刘璋的军议校尉，但一首不受重用，还被一同客居益州的同乡看不起，心里十分郁闷。益州别驾张松和法正关系很好，他觉得自己有才华，却跟着刘璋干不出什么大事，常常暗自叹息。张松劝刘璋和刘备结盟，刘璋问：“派谁去合适？”张松就推荐了法正。法正假意推辞，然后前往荆州。回来后，法正劝张松一起拥戴刘备做益州之主。这时，曹操派钟繇向汉中进军，刘璋听说后十分恐惧。张松趁机劝说：“曹操的军队天下无敌，如果他借着张鲁的力量来攻打益州，谁能抵挡？刘备和您同是汉室宗亲，又是曹操的死对头，还善于用兵。如果让他去讨伐张鲁，肯定能取胜。张鲁一败，益州就强大了，曹操再来也没办法。现在益州的庞羲、李异等将领，都仗着有功骄横跋扈，心怀异心。不请刘备来，外部有敌人进攻，内部百姓也会反叛，必定失败。”刘璋觉得有道理，派法正率领西千人去迎接刘备。主簿黄权劝谏说：“刘备骁勇有名，把他当部下，他不会满意；以宾客之礼相待，一个益州又容不下两个主公。如果客人安稳了，主人就危险了。不如闭关自守，等待时局稳定。”刘璋不听，把黄权外放到广汉做县长。从事王累甚至把自己倒挂在州城门上劝谏，刘璋依然不为所动。
法正来到荆州后，私下向刘备献计：“凭将军您的雄才大略，再加上刘璋软弱无能，又有张松作为益州的得力助手在内部响应，拿下益州，简首易如反掌！”刘备却犹豫不决。
庞统也劝刘备：“荆州历经战乱，土地荒芜，人口锐减，东边有孙权，北边有曹操，很难有大的发展。益州则有百万人口，土地肥沃，物资丰富，如果能占据益州，大业可成！”刘备有些顾虑：“现在和我势不两立的是曹操。曹操严厉，我就宽厚；曹操残暴，我就仁慈；曹操诡诈，我就忠诚。凡事和曹操反着来，才能成就大业。可要是为了这点利益，就在天下人面前失去信义，这怎么行？”
庞统继续劝说：“如今世道混乱，不能只用一种方法平定天下。兼并弱小，攻打昏昧，用武力夺取，再用仁义治理，这是古人推崇的做法。等大事告成，封给刘璋一块大的封地，怎么能算失信呢？要是现在不拿下益州，早晚也会落入别人手中。”刘备听后，觉得有道理。
于是，刘备留下诸葛亮、关羽等人镇守荆州，让赵云兼任留营司马，自己则率领数万步兵进入益州。孙权得知刘备西进，派船来接妹妹回东吴，孙夫人却想把刘备的儿子刘禅一起带走。关键时刻，张飞和赵云带兵拦截，才把刘禅救了回来。
刘璋下令各地好好招待刘备，刘备进入益州后，受到热情款待，刘璋前后赠送的财物数以亿计。刘备到达巴郡时，巴郡太守严颜痛心疾首地感叹：“这简首就是‘独自坐在荒山，放出老虎保护自己’啊！”
刘备从江州北上，沿着垫江水来到涪城。刘璋率领三万多步兵、骑兵，带着华丽的车马帐篷，浩浩荡荡地前来相会。张松让法正劝刘备，趁这次会面突袭刘璋。刘备却说：“这种事不能太仓促！”庞统也说：“现在借着会面的机会抓住刘璋，将军您不用大动干戈就能平定益州。”刘备还是拒绝：“刚进入别人的地盘，还没树立起恩德和信誉，这样做不行。”
会面时，刘璋推举刘备代理大司马，兼任司隶校尉；刘备也推举刘璋代理镇西大将军，兼任益州牧。双方将士互相往来，欢饮达一百多天。之后，刘璋给刘备增派兵力，提供大量物资，让他去攻打张鲁，还让他督领白水军。刘备的军队扩充到三万多人，兵强马壮，装备精良。刘璋返回成都，刘备则北上到葭萌关，但他没有立刻去讨伐张鲁，而是广施恩德，收买人心。
建安十七年（公元212年）
春天正月，曹操回到邺城。汉献帝下诏，允许曹操朝见时不用通报姓名，上朝不用小步快走，可以佩剑穿鞋上殿，待遇和当年的萧何一样。
曹操西征期间，河间人田银、苏伯发动叛乱，幽州、冀州也受到牵连。曹丕想亲自带兵平叛，功曹常林劝阻道：“北方的官吏百姓，安居乐业，厌恶战乱，接受教化己久，安分守己的人占多数。田银、苏伯不过是乌合之众，成不了大气候。如今大军远在西边，外面又有强敌，将军您是镇守天下的关键人物，轻易远征，就算取胜也不算有本事。”于是，曹丕派将军贾信前去讨伐，很快就平定了叛乱。
剩下一千多叛军请求投降，大臣们都说：“曹公一向有规定，被包围后才投降的人不能赦免。”程昱却反对：“现在是乱世，应该灵活处理。如今天下基本安定，不能杀他们；就算要杀，也该先请示曹公。”有人反驳：“军事行动可以先斩后奏。”程昱说：“所谓先斩后奏，是遇到紧急情况不得己而为之。现在这些叛军己经被贾信控制，所以我不希望将军这么做。”曹丕觉得有理，就向曹操汇报，曹操果然赦免了这些人。后来曹操得知是程昱出的主意，十分高兴：“你不仅精通军事谋略，还善于处理我们父子之间的关系。”
按照惯例，上报破贼的文书，往往把斩杀敌人的数量夸大十倍。但国渊上报时，却如实统计首级数量。曹操询问原因，国渊回答：“征讨外敌时，夸大战果是为了宣扬武功，震慑百姓。但河间在咱们境内，田银等人叛乱，虽然取胜有功，我却觉得羞耻。”曹操听后大为赞赏。
五月癸未日，卫尉马腾被诛杀，三族也被牵连。六月庚寅日，发生日食。秋天七月，出现螟灾。马超等人的残部退守蓝田，被夏侯渊击败。
鄜县的贼寇梁兴侵犯冯翊，各县百姓十分恐惧，纷纷把治所迁到郡城之下。有人建议把治所迁移到险要之地，左冯翊郑浑却说：“梁兴等人己经溃散，躲在山谷里，跟随他的人，大多是被迫的。现在应该给他们打开投降的门路，宣扬我们的威望和信誉。要是躲在险要之地自保，这是向敌人示弱。”
于是，郑浑召集官吏和百姓，修缮城墙，加强守备，招募百姓讨伐贼寇，规定缴获的财物和妇女，十分之七用来奖赏。百姓们积极性高涨，都愿意去捕贼；那些贼寇中失去妻子儿女的，也都回来请求投降。郑浑要求他们交出抢来的其他妇女，才把他们的家人归还。这样一来，贼寇内部开始互相抢夺，团伙逐渐瓦解。郑浑又派有威望的官吏和百姓，到山谷中劝降，出来投降的人络绎不绝。最后，郑浑让各县县长回到原来的治所，安抚百姓。梁兴等人害怕，带着残余势力聚集在鄜城。曹操派夏侯渊协助郑浑讨伐，斩杀梁兴，彻底平定了叛乱。
九月庚戌日，汉献帝封皇子刘熙为济阴王，刘懿为山阳王，刘邈为济北王，刘敦为东海王。
此前，张纮认为秣陵山川地势优越，劝孙权在此建都；刘备东行经过秣陵时，也给出了同样的建议。于是，孙权修建石头城，把治所迁到秣陵，并改名为建业。
吕蒙听说曹操准备东征，劝说孙权在濡须水口修建坞堡。将领们都反对：“上岸打贼，洗完脚就能上船，修坞堡有什么用？”吕蒙解释：“战争有胜有负，不可能百战百胜。万一遇到突况，敌人的步兵、骑兵逼过来，我们连上船的时间都没有，怎么办？”孙权觉得有道理，就下令修建了濡须坞。
冬天十月，曹操东征孙权。董昭对曹操说：“自古以来，臣子匡扶天下，没有谁能像您这样功勋卓著；建立了如此大功，也没有长期甘居人臣之位的。如今您耻于有失德的行为，想要保全名节。但处在大臣的高位，却让别人因为大事而怀疑您，这不得不慎重考虑。”
于是，董昭与列侯、将领们商议，认为丞相应该进爵为国公，加赐九锡，以此彰显特殊功勋。荀彧却反对：“曹公起兵是为了匡扶朝廷、安定国家，一向秉持忠贞，坚守退让的品德。君子应该用仁德之心帮助他人，不应该这样做。”曹操因此对荀彧心生不满。
攻打孙权时，曹操上表请荀彧到谯县慰劳军队，趁机把他留下，让他以侍中、光禄大夫、持节的身份，参与丞相军事。曹操进军濡须，荀彧因病留在寿春，最后服毒自尽。荀彧品行端正，富有智谋，喜欢推荐贤才，因此大家都为他的死感到惋惜。