1、关西起兵：西北其中一支军队马腾军，本来拥兵自重，所以曹操在南下之前，便以汉室之名召马腾到京都为官，令其子马超不敢妄动。后曹操于208年赤壁大败，幸而能守住合肥，不被孙权攻下(详见合肥之战)，加上孙权与刘备结成联盟，所以曹操加强南方的防备，转向西部拓展势力。 211年三月，曹操派钟繇出兵讨伐汉中的张鲁，另派夏侯渊等率兵至河东与钟繇军会合。高柔曾劝谏曹操：「大兵西出，韩遂、马超疑为袭己，必相扇动。宜先招集三辅，三辅苟平，汉中可传檄而定也。(大军西出，韩遂、马超等必会怀疑是袭击自己，必定互相煽动。宜先平定三辅(关中)，三辅(关中)平定了，汉中只要传送檄文便可平定了。)」曹操不听，继续发兵。
关中各将果然产生怀疑，马超、韩遂、侯选、程银、杨秋、李堪、张横、梁兴、成宜、马玩等十数部军起兵反抗，集结了十万羌、胡、汉人混杂的军队，屯於潼关，准备进攻，弘农、冯翊多个县邑起兵响应，百姓都从子午谷逃入汉中。曹操便派曹仁督各将领前往抵挡，敕令他：关西兵精悍，坚壁勿与战。(关西军精壮强悍，只要坚守，不要和敌人交战。)
2、曹操出动：七月，受形势所迫，曹操只得亲自率军进击马超等，留曹丕守邺城。(通过多次交战)许多人都认为：「关西兵彊，习长矛，非精选前锋，则不可以当也。(关西兵强，擅用长矛，如不是精选的前锋，则不可以抵挡。)」曹操却认为：「战在我，非在贼也。贼虽习长矛，将使不得以刺，诸君但观之。(战争的主动权在我，不是在敌人。敌人虽然擅用长矛，我便令他们不能刺，各位拭目以待吧。)」(曹操灵活地运用战略，避免野战而采取坚壁不出的策略。)
八月，曹操抵达潼关坐镇，与马超等互相对峙。每当关西联军一部一部的到来，曹操总是十分高兴。各将领不明，问他何以如此高兴?到了战胜后，曹操终于说出了理由：关中长远，若贼各依险阻，征之，不一二年不可定也。今皆来集，其众虽多，莫相归服，军无适主，一举可灭，为功差易，吾是以喜。(关中路途遥远，若果敌人各依险峻地势防守，出兵讨伐，没有一、二年也不可平定。现今他们全部一起聚集，人数虽多，但互相都不归服，联军中无合适统帅，一举便可以消灭他们，比起他们各自防守，现在容易多了，所以我感到高兴。)
3、渡河作战：曹操向关西联军装出要与他们大战的军势，但另一方面听从徐晃等人的献计，派徐晃、朱灵率四千步骑北上渡河，再到浦阪津过河，在河西设营。
马超查觉到了曹军的动向，便与韩遂商量：“敌人向北渡河，肯定是想绕到我们后面去形成合围之势，我们可以派人在渭水北面沿黄河把守，这样不出二十天，黄河东面的曹军就会粮草用尽，那么黄河东面的曹军就不战自溃了”。但是韩遂不同意马超的策略，却说：兵法云半渡而击之。于是，马超的策略没有得到实施，(朱灵等顺利地从浦阪津过河，对联军形成合围之势，联军不得以提出割地求和)。后来曹操听说了马超的策略后，感慨地说：马超如果不死掉，我就没有葬身之地了!闰八月，曹操亲自由潼关北渡黄河。先将大军移至北岸，只有曹操和许褚等虎士百余人留在南岸负责断后。
马超不期而至，率万多人袭击(想必十万联军中，属于马超的也就这万余人)，乱箭齐发，矢下如雨。但曹操仍然在胡床上不动，许褚见势危，立刻扶曹操上船，船夫却被流矢射杀，许褚左手举着马鞍作盾，为曹操挡箭，右手则拚命撑船，数次中箭。驶了四、五里，马超军仍不断追赶、射箭，大军都不知曹操安危，十分担心。这时渭南县令丁斐命人放走牛马，用以作饵引敌人，关西联军果然放弃追剿，赶紧追捕牛马，曹操最後才成功渡河。各人见曹操平安无事，悲喜交集，但曹操却大笑：「今日几为小贼所困乎!(自我解嘲地说：今天差点儿被小贼给了结了呀!)」
便与徐晃军会合，沿河的道路向南行。联军至渭口防守，曹操便设置多队疑兵，派另一部队乘船渡过渭水，架起浮桥，於夜中在渭南结营。马超等率兵攻打，被曹军伏兵击破。马超等屯兵日久，派使各者向曹操要求割让河西为和约，但曹操不答应。九月，曹操渡过渭水，进驻渭南的营地，马超等曾数次前往挑战他，曹操并不应战，只守不攻。当时，曹操曾与韩遂、马超单马会面，曹操只带著许褚前往。马超凭着自己武艺高强，想暗地里突击去活捉曹操。不过马超听过许褚的勇武，加上知道了在渭水中勇救曹操的人便是许褚后，担心计划不能成功反而危险很大，这时许褚眼睛瞪著马超，显然已经发现了马超的意图，于是马超便放弃了突击的计划。转问曹操，听说你军中有个叫“虎侯”的，人在哪里?曹操指着许褚，马超印证了自己的想法。事后，曹操夸奖许褚说，“没想到贼也知道有个虎侯呀”!
渡过河后，曹操营寨多次被擅长野战的西部联军冲破，苦于没有办法的时候，有人提醒曹操，此时天寒(九月份，其实差不多是农历十月份了)，可以担沙泼水筑城，曹操听从了建议，果然一夜间筑成了冰城。第二天联军到了以后，非常吃惊，以为有神灵在帮助曹操。
4、离间之计：关西联军后路被劫，只好割地、送子质请和。谋士贾诩认为可以假装答应他们，曹操问他有何计策，贾诩说：「离之而已。(离间他们而已。)」曹操明白他的意思，便应许联军的请求。 韩遂作代表与曹操相见。曹操与韩遂父亲在同一年被推荐为孝廉，又与韩遂是同辈，曾有交情。当二人会面时，在马上不谈军事，只说当年在京都的旧事，拍手欢笑。曹军又列出五千铁骑作十重阵，精光耀日，联军惊讶，纷纷前来看曹操是什麼人，曹操笑着对他们说：「尔欲观曹公邪!亦犹人也，非有四目两口，但多智耳!(你们都想看曹某吧!我也只是一个普通人，不是有四只眼、两个口，只是较多智谋罢了!)」
会面结束，马超等问韩遂：「公何言!(你和曹操说了什么!)」韩遂却回答：「无所言也。(没有什麼。)」马超等对韩遂的态度十分怀疑，担心他与曹操私下联系。过了几天，曹操给韩遂书信，信中却在多个言词上涂涂抹抹，改来改去，就像是韩遂改动一样;马超等疑心愈来愈大，曹操便趁此时与联军约定决战。曹操先以轻兵前往挑战联军，与联军混战了很久，曹操最后便出动王牌虎豹骑夹击联军，联军大败，曹军斩杀了成宜、李堪等人。韩遂、马超便败走凉州，杨秋则前逃往安定。潼关之战以此结束。