曹操亲率大军到达阳平关，张鲁自知不是对手，准备投降，但是遭到其弟张卫的反对。

    张鲁于是派张卫以及杨昂等人率兵数万，在阳平关前横着筑石城十多里，拦住曹军的进攻。曹军大约有十万人，张鲁军大约三万人，但在这样的地理条件下，人多并不是最有利的因素，由于地势险要，易守难攻，曹军死伤惨重。

    曹操感叹道：“打了三十年的仗，还没有这样受制于人的（作军三十年，一朝持与人，如何）。”

    曹操决定撤兵，但是奇迹发生了。据《魏名臣奏》记载，曹操下令夏侯、许褚所部退兵，但在他们撤退过程中夜里误入敌人兵营，敌人不知究竟，还以为曹军攻营得手，竟然四散败走。

    当时侍中辛毗、刘晔等人随军行动，他们赶紧告诉夏侯、许褚，说已经占领了敌人的要塞。夏侯、许褚不相信，亲自察看，确认果然是真的，回来报告曹操。

    《世语》也记载了一件类似的事，说两军决战的关键时刻，突然不知从哪里窜出来数千只麋鹿，冲入张卫大营，张卫军营夜惊。恰在此时，曹操手下的高祚等离此不远，高祚吹响鼓角，召集其他友军。张卫大惧，以为这都是曹军预谋好的攻营战术，于是投降（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）。

    阳平关就这样稀里糊涂地被攻下了，在南郑的张鲁见已无险可守，也想投降，但他手下的人事处长（功曹）阎圃劝他投降可以，但不要这么轻易就降。

    阎圃认为：“现在就这么投降了，必然没有什么分量（今以迫往，功必轻）；不如先投奔杜和朴胡，然后看情况再说，到那时再投降功劳也大些。”

    张鲁于是带领一部分人南入巴中。巴中即巴郡，在汉中郡之南，属益州刺史部，大巴山地区多在其内，包括今天四川省和重庆市所辖的万县、达县、南充等地，杜和朴胡是当地部族首领。

    临走前，有人建议搞一些破坏，把仓库等设施烧毁，不留给曹操。张鲁不同意，他说：“本来打算归顺朝廷，现在离开是暂避锋芒，没有恶意，仓库里的东西都归朝廷所有。”张鲁让人贴上封条，然后才走。

    曹操到了南郑，果然对张鲁的做法很高兴，他得知张鲁有归降的本意，就派人到巴郡寻找张鲁，劝他投降。

    这一年的九月，巴郡地区的部族首领朴胡、杜率部出降，曹操下令分巴郡为巴西郡和巴东郡，任命朴胡为巴东郡太守，杜为巴西郡太守，都封为列侯。

    十一月，张鲁率家属从大巴山出来投降，曹操以天子的名义拜张鲁为镇南将军，封阆中侯，食邑一万户，封张鲁的五个儿子以及阎圃等人为列侯。

    据《典略》说，当初马超逃往益州，没有来得及带上妻子董氏以及儿子马秋。现在董氏和马秋都到了曹操手上，曹操把董氏赐给阎圃为妻，把马秋交给张鲁处理，张鲁很恨马超，亲手把马秋杀了。

    张鲁亲手杀了马秋，还有向曹操表示忠心的意思，说明他与马超已成不共戴天的仇人，让曹操放心。

    马超走得确实很匆忙，他把部将庞德也留在了张鲁处。张鲁失败后，庞德率部投降。曹操早就听说庞德作战勇猛，便拜他为立义将军，封关门亭侯，食邑三百户。庞德从此忠心耿耿追随曹操，至死不渝。

    汉中攻破，前面那个逃到汉中来的刘鸣雄走投无路，再次投降曹操，曹操看到刘鸣雄，一把拽住他的胡子说：“老家伙，这回又抓到你了（老贼，真得汝矣）！”曹操恢复了他的职务，把他迁到渤海郡。

    建安十六年（211年）与马超一同在关中作乱的程银、侯选等人各率一千余家此时也逃在汉中。汉中攻破后，他们出来投降曹操，曹操既往不咎，仍然恢复了他们的职务。