与此同时，夏侯渊又写了书信，叫把守阳平关的曹洪分兵前来增援。曹洪接到书信，当即命张颌、郭淮、夏侯尚领兵一万五千人去定军山助战。
关羽见夏侯渊修筑营垒，当下领兵下山与夏侯渊战了几场，双方互有胜负，但关羽兵少，即便占着居高临下的优势突袭，却也始终无法阻止夏侯渊建设营垒。很快，夏侯渊便指挥众军用鹿角木石将所有山口堵住。
如此过了数日，张、郭淮、夏侯尚领兵到来，与此同时，益州刺史赵也督率数千民夫赶到，于是夏侯渊集结众军，准备再次进攻关羽。
双方正战之间，刘备率领的主力终于陆续赶到，夏侯渊见状，只得退守营垒，与刘备大军相持。
两军对峙了十余日，刘备待后方粮草稍稍运送集结齐全，士卒也休息完毕，恢复了体力之后，便即开始猛攻夏侯渊的营垒。因山道艰险，大军难以展开，于是刘备精选了善于山地作战的精兵一万人，分为十部，命刘封、袁龙、丁咸、丁立、白寿、宗预等人率领，轮番冲击曹军营垒。
夏侯渊派张率领精兵奋力反击，将刘备大军连绵不断的攻击一一反击了回去。
刘备见中央突破的战法失效，于是改为全线出击，分兵在定军山绵延数十里的各处山口上展开猛攻。
夏侯渊见状，也只得分兵把守，因为战线太长，只得分段指挥。夏侯渊率领精兵一万五千人自守最重要的南部，委派张领兵一万驻守东部。
如此又战了数日，曹军的变化被敏锐的法正发现了，当下建议刘备亲率主力前去猛攻张，只留关羽率领五千精兵牵制夏侯渊。刘备欣然同意，当下领着赵云、陈到、吴懿、刘封、袁龙、丁咸、丁立等大将，领兵三万猛攻张。
激战数日，张兵少，抵挡不住人多势众且又惯于山地作战的荆州兵，只得急忙向夏侯渊求援。
夏侯渊见东部危急，而南部这边关羽兵少，又接连多日按兵不动，于是分出一半兵马，遣杜袭率领增援张。
驻兵于山上的关羽、法正看见，知道战机到来。当下法正叫关羽领三千精兵潜伏在半山腰上，法正则自领少量兵马，多插旌旗驻守山顶营寨。双方约定，只看山顶红旗招展，关羽便要杀下山去，突袭曹军。
安排妥当，法正分派白寿、宗预各领千人，多带火把前去焚烧曹军营垒。二将依计行事，奋力冲杀，虽未能突破曹军，但也对营垒鹿角造成了许多破坏。
待到白寿、宗预被击退后，夏侯渊便急令士兵修补营垒。夏侯渊一向爱兵如子，与士卒同甘共苦，攻则在前，退则在后，因此麾下士卒皆能死战。数十年的从军经历养成了夏侯渊身先士卒的用兵风格，此时命士卒修补鹿角，为了激烈士气，夏侯渊身为主帅，竟然不辞劳苦，亲自与士卒一起搬抬鹿角木桩，修补营寨外围的鹿角。
干了一会儿，夏侯渊不由汗流浃背，燥热难当，当下脱去铠甲散热，只穿掩心镜护住前胸。
法正在山上看的真切，急忙将红旗一招，关羽见状，当即领兵冲下山来，众军宛如下山猛虎，来势凶猛。
夏侯渊此时正在营垒外围，既来不及撤退，也来不及穿甲，措手不及之下，被关羽猛冲至跟前，手中青龙刀一挥，顿时刀出如龙，将夏侯渊连头带肩劈为两半。
一众曹军大惊，士气大跌之下，纷纷掉头就跑。关羽挥军掩杀，一举突破夏侯渊的营垒，临阵再斩了曹操所置之益州刺史赵。
曹军更是混乱，被关羽驱赶着从西南至东北，将曹军营垒一一全部冲散。张、郭淮、夏侯尚等人闻听夏侯渊，赵战死，又见全军有崩溃之势，慌忙领着众军撤退，一番厮杀，总算带着残军杀出山口，一路奔逃至米仓山营寨，与汉中太守杜袭会合。
这一战，刘备军阵斩曹军四五千人，俘虏士兵七千余人，民夫六千，缴获粮草军资无数，大获全胜。
刘备喜不自胜，重赏关羽及其余有功将士。关羽也自感扬眉吐气，一扫丢失荆州的郁闷之气。
当下刘备留下丁咸、丁立把守定军山各处山口，兼且看押战俘。随后领着众军出山前出至汉水，准备进攻南郑。
此时退到米仓山大营的曹军因失去了主将夏侯渊，兵马折损过半，因此士气十分低落。众军急需重新确定一个主将，以带领大军继续作战。许多将校因为夏侯尚乃是曹氏宗亲的缘故，欲要推拒夏侯尚为主将，还有一些人认为杜袭乃是汉中太守，官位够高，该当以杜袭为主将，一时争论不休。
郭淮见状，当下力排众议，认为张乃是当世名将，从军数十年，一向深受刘备忌惮，极力主张推举张为主将。汉中太守杜袭也认为张善于用兵，比自己更适合担当主将之责，于是也全力支持张领兵。
在郭淮、杜袭的力荐之下，曹军众将达成一致，共推张为主将。
当下张接过兵权，留夏侯尚领少量兵马堵塞米仓山小道，随后率领全军返回汉中平原，放弃了艰险的山地地形，转而恢复骑兵建制，在盆地平旷地带戒备刘备。除了大军休息驻扎的营寨之外，其余各条道路都不设鹿角营垒，以供骑兵纵横。
刘备分派兵马多次试探着走出南部大山，进击南郑，都被张率领骑兵截击，连续败了七八场，折却许多兵马。
刚刚大胜之后，心态有些膨胀的刘备顿时被打醒了，只得占据险要地形，一路修筑营垒，步步逼近，同时也想方设法从后方山道之中运来数百战马，让赵云、陈到率领着绕道抄掠张之后。
张虽然大致稳定了形势，但终究兵少，还是难挡刘备咄咄逼人的进攻。