起兵
建安十六年(公元211年)三月，曹操傳令，讓鎮守長安的鍾繇討伐張魯，並派夏侯淵出河東會合鍾繇。此時，夏侯淵和徐晃剛剛平定太原商曜的叛亂，軍隊可以沿汾河出河東。討伐張魯，將有可能經過關中諸將馬超等人的防地。高柔為此提醒曹操：「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，漢中只要傳上檄文便可平定了。」曹操未予理睬。
關中各將果然產生懷疑，馬超、韓遂、侯選、程銀、楊秋、李堪、張橫、梁興、成宜、馬玩(合稱「關中十將」)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。
後人多認為，曹操就是要逼反那些表面上遵奉朝廷，實際上是各行其政的關中諸將，為名正言順地剿滅他們製造借口。可以說，從一開始，曹操就是有預謀的。
曹操派遣曹仁督各將領前往抵擋，敕令他：「關西軍精明強悍，只要堅守，不要和敵人對戰。」秋七月，曹操留曹丕守鄴城，親統大軍西征， 許多人都認為：「關西兵強，擅用長矛，如不是精選的前鋒，則不可以抵擋了。」曹操卻認為：「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，各位看著吧。」
對峙
八月，曹操大軍經函谷朔黃河西進，到達潼關。此時曹軍的糧草由洛陽經函谷供應。潼關雖險，卻不是一夫當關，萬夫莫開的狹關，須以大軍方可屯守。正因為潼關有此種特點，曹操用大軍緊逼潼關，擺出非要從潼關進入關中不可的架勢，馬超等關中聯軍的注意力才能被牢牢地吸引在潼關的防守上。
關中各部不斷向潼關增兵，曹操聽說，不憂反喜。事後各將領不明，問他當初何以如此高興，曹操解釋說：「關中道路長遠，若果敵人各依著地勢防守，就算出兵攻打，沒有一、二年也不可平定。現今他們全部到來結集，人數雖多，但互相都不歸服，聯軍中無一個統領，一舉便可以消滅他們，比起他們各自防守，現在容易多了，所以我便感到高興。」
經過一段時間的相持，眼見聯軍的所有力量都已集中到潼關，曹操暗中卻派徐晃、朱靈率步騎四千人渡過浦阪津，據河西為營，準備接應曹操大軍由河東進入河西。曹操曾問徐晃如何可入關中，徐晃說：「您已帶大兵到此，而敵人不再分兵守衛蒲阪，可知他們缺乏謀略。請給我一支精兵，渡過蒲阪津，作為大軍的先導，截斷敵人的後路，就可擒住他們了。」曹操至同意此舉，並派徐晃、朱靈率四千精兵從蒲阪津(今山西永濟、陝西大荔朝邑之間黃河渡口)乘虛渡過黃河。
閏八月，曹操親自率軍從潼關東面的渡口北渡黃河，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。馬超立即率萬多人襲擊，亂箭齊發，矢下如雨。但曹操仍然在胡床上不動，許褚見勢危，立刻扶曹操上船，船夫卻被流矢射殺，許褚左手舉著馬鞍作盾，為曹操擋箭，右手則拚命撐船，數次受害。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。這時校尉丁斐命軍隊放走牛馬，用以作餌引敵人，關中聯軍果然放棄追剿，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：「今日差點被小賊困住呀!「
徐晃剛剛從浦阪津渡過黃河，還沒來得及建立寨柵，當夜梁興即領步騎五千多人前來攻擊，被徐晃擊敗。 曹操與徐晃約好，在曹操從潼關北渡時，徐晃方才能從浦阪津西渡黃河，否則，消息過早洩露，徐晃會遭到關中聯軍的攻擊。馬超看到曹操北渡，自然知道曹操是想從浦阪津渡河進入關中，遂派梁興帶五千多人前去搶佔浦阪津渡口西岸，通常情況下，這五千人足以阻擋曹操渡河。但馬超沒有料到的是，徐晃已經搶先佔領了浦阪津渡口西岸。經長途急行軍趕到浦阪津渡口的梁興軍，自然不是以逸待勞的曹軍對手。待消息經幾百里路傳回潼關時，馬超再想派大軍去重新奪回渡口，時間已經來不及了。
曹操事後解釋時說：「賊兵佔據潼關，如果我軍進入河東，賊兵必將帶兵守住黃河各渡口，我們就不能渡到河西;我故意重兵逼進潼關，賊兵全力來守南邊，西河的防備空虛，因此徐晃、朱靈二將才能輕易佔領西河。在此之後我帶大軍北渡黃河，賊兵不敢與我們爭奪西河，是因為有他們二將的軍隊。」 西渡黃河後，此時曹軍的糧草改由河東經浦阪津渡口供應。曹操沿河連車樹柵為甬道向南推進。馬超退屯渭口。曹操又多設疑兵，吸引馬超的注意力，暗中卻從黃河把船駛入渭河，連夜用船搭起浮橋，分兵在渭水南岸紮營。在渭水南岸立營的過程中，由於沒有合適的建築材料，加之屢受馬超騎兵的突擊，一時難以完成立營的工作。後乘天氣突然爆冷，曹操夜裡渡兵在南岸澆築起凍沙城。天明時，凍沙城建築完畢。關中聯軍乘夜攻營，被曹操伏兵所破。
九月，曹操大軍全部從容渡過渭水，進駐渭南的營地。至此，曹操已經完成了全面攻擊的準備。 馬超等曾數次前往挑戰他，曹操又不答應，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。馬超想持其力大，乘機上前捉拿曹操。不過馬超聽過許褚的勇武，便問曹操：「公的虎侯在嗎?」曹操用手指一指許褚，許褚瞪著馬超，馬超於是不敢妄動，於是雙方各自退去。
離間
由於韓遂、馬超等在春季三月時，就在潼關屯集十萬大軍，加之用於長途輸送糧草的人力，關中各部，當年的農業生產幾乎全廢。此時秋季已過，冬季將臨，關中各部卻徵收不上來新糧，全軍有斷炊之虞。
於是關中聯軍為免作持久戰，只好割地、送子質請和。謀士參謀賈詡認為可以假裝答應他們，曹操問他有何計策，賈詡說：「離間他們就可以了。」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為孝廉，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，曹操笑著對他們說：「你們都想看曹某吧!我也只是一個普通人，不是有四隻眼睛、兩張嘴巴，只是較多智謀罷了!」又在一次會晤之中，曹操一反原先一貫示弱於敵的作法，突然列出五千鐵甲騎兵，陣列森嚴，「精光耀日」，關中各軍，無不為之震懾驚恐。
會面結束，馬超等問韓遂：「曹公說了什麼?」韓遂卻回答：「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，信中卻故意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。
決戰
離間計剛剛施用完畢，曹操立即與馬超、韓遂等約期會戰，而馬超、韓遂等也急於結束對峙狀態。曹操先以輕兵前往挑戰，大戰了很久，曹軍以虎豹騎夾擊聯軍，聯軍大敗，曹軍斬殺掉成宜、李堪等人。結果韓遂、馬超、梁興敗走涼州，楊秋則前往安定，程銀、侯選南入漢中投靠張魯。渭南之戰到此結束。
在這場驚天動地的大決戰中，關中諸將的武裝力量基本損失殆盡，從此結束了關中軍閥割據的局面，關中各郡進入了朝廷直接掌控的範圍。不久，韓遂、馬超等依靠羌、氐二族以及張魯的力量在涼州作亂一年餘，但又被夏侯淵等擊破，隴右、涼州平定。