渭南之战后，曹操完全控制了关中，彻底打通了通往汉中的通道，建安二十年（215），曹操亲自率领大军讨伐张鲁，并且成功占据汉中。
建安二十年（215）三月，魏公曹操亲自率兵攻打张鲁，准备自武都进入氐人所居之地。氐人在途中拦截，曹操派张张郃、朱灵打败了氐人。夏季，四月，曹操从陈仓出散关，到达河池。氐王窦茂有部众一万余人，仗恃地势险要，不肯降服。五月，曹军打败氐人，并进行屠杀。同年，西平、金城的将领麴演、蒋石等将领共同杀死韩遂，并且将他的头颅献给曹操。
曹公却暗中派解口、高祚等人冒险乘夜偷袭，把敌军打得大败，杀了杨任，又攻打张卫，张卫等人连夜逃走。张鲁溃不成军，逃往巴中。当时刘晔做为主簿随军西征。曹操到了汉中郡，山势险峻，难于攀登，军粮非常缺乏，于是说：“这是个妖妄的地方，或有或无，无关轻重。我军缺少粮食，不如迅速回兵。”曹操即亲自率领士兵返回，命令刘晔都督后面的各路人马，让他们按序出山。而刘晔算计张鲁可以攻克，加上运粮的通道不能接续，虽然退出，军马还是不能完好无损，于是飞马告诉曹操：“不如致力于进攻。”曹操随即进兵，大破敌军。
曹公大军进入南郑县，张鲁府库中的珍宝全被缴获。巴郡、汉中郡全部投降。把汉宁郡的名称恢复为汉中郡；划出汉中郡的安阳、西城新设西城郡，设太守；分设锡郡、上庸郡，设置都尉。
关于攻占汉中之事还有其他的记载，董昭上表中记录是曹操退军后士卒无意中进入张卫大营，敌军遂败，《世语》中也有野麋冲击张卫大营，惊动大营，张卫后又误与高祚等遭遇，大惧遂降的记载。
魏名臣奏载董昭表曰：“武皇帝承凉州从事及武都降人之辞，说张鲁易攻，阳平城下南北山相远，不可守也，信以为然。及往临履，不如所闻，乃叹曰：‘他人商度，少如人意。’攻阳平山上诸屯，既不时拔，士卒伤夷者多。武皇帝意沮，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。会前军未还，夜迷惑，误入贼营，贼便退散。侍中辛毗、刘晔等在兵后，语惇、褚，言‘官兵已据得贼要屯，贼已散走’。犹不信之。惇前自见，乃还白武皇帝，进兵定之，幸而克获。此近事，吏士所知。”
又杨暨表曰：“武皇帝始征张鲁，以十万之众，身亲临履，指授方略，因就民麦以为军粮。张卫之守，盖不足言。地险守易，虽有精兵虎将，势不能施。对兵三日，欲抽军还，言‘作军三十年，一朝持与人，如何’。此计已定，天祚大魏，鲁守自坏，因以定之。”
世语曰：鲁遣五官掾降，弟卫横山筑阳平城以拒，王师不得进。鲁走巴中。军粮尽，太祖将还。西曹掾东郡郭谌曰：“不可。鲁已降，留使既未反，卫虽不同，偏携可攻。县军深入，以进必克，退必不免。”太祖疑之。夜有野麋数千突坏卫营，军大惊。夜，高祚等误与卫众遇，祚等多鸣鼓角会众。卫惧，以为大军见掩，遂降。
本来张鲁在曹操大军来临之际就想要投降曹操。但张鲁弟张卫不听，率数万人马坚守阳平关，为曹操所破。张鲁闻讯，想磕头称降。阎圃又献计说：“如今您谁被迫谒见，肯定得不到曹公的重用，不如先到朴胡去抵抗，然后再向他献礼称臣，这样才会得到曹公的重用。”张鲁于是率军前往巴中。临行前，左右的人想将仓库里的宝物全部焚毁，张鲁说：“我已有归顺朝廷的意愿，但这一意愿没能让曹公知晓。今天我们离开，不过是避开锋芒，并没有别的意图。宝货仓库，应归国家所有。”于是将宝物都妥善藏好才离去。
曹操到达南郑后，对张鲁的行为深加赞许，又因张鲁早有归顺之意，所以派人前去慰问。张鲁带着全家谒见曹操，太祖任命他为镇南将军，以客礼相待，封张鲁为阆中侯（一作“襄平侯”），食邑一万户。曹操将他和家属带回邺城。封张鲁的五个儿子及阎圃等人为列侯。替自己的儿子曹宇娶张鲁女儿为妻。
程银、侯选、刘雄鸣等人在关中被曹操军击败后，均投靠了张鲁，后他们遂张鲁一起投降曹操，并且官复原职，原马超部下庞德也是此时归降曹操。
话说，当年刘雄鸣拒绝和马超一道对抗曹操，被曹操派出收拢旧部，结果反而被部下逼反，失利后逃往汉中，他随张鲁投降后，曹操一见他，便拉着刘雄鸣的胡须说道：“你个老贼，我看你还往哪儿跑？”尽管当时曹操很是气愤，但曹操并未予以追究，而是恢复了刘雄鸣的官职，把他调往渤海郡做事，后来刘雄鸣就在此去世。
曹操破张鲁后，张鲁逃入巴中，黄权向刘备进言：“如果失去汉中，则三巴之地就会受到威胁，这就割去了蜀地的大腿与臂膀。”于是刘备以黄权为护军，率领诸将进入巴中。但张鲁已经回到南郑，投降于曹操。
据《华阳国志·卷二》记载，建安二十年（215），曹操西征张鲁，张鲁在逃亡巴中时，刘备派人准备迎接，而阎圃劝张鲁北降曹操：“协助以成大事，应该附讬曹操；如果不这样，就西结刘备来归附。”张鲁愤怒的说道：“我宁愿为曹公的附属，也不为刘备的座上客！”于是投降曹操。
历史上张鲁之所以如此的讨厌刘备，也不是没有理由的。当年刘备进入益州的借口就是帮助刘璋对付张鲁，后来刘备又从张鲁那里把他爱将马超挖走了，可以说两人的关系本身就不好。
如果张鲁被曹操~逼到了绝境，他没准会放弃以前的恩怨转而投靠刘备，但实际上张鲁早就有意归顺曹操，他的谋士阎圃也支持张鲁归曹，曹操本人也在战后愿意接纳张鲁的投降，在这种情况下张鲁敢甩刘备的面子就很正常了。
