建安十六年（公元211年）三月，曹操派遣司隶校尉钟繇讨伐张鲁，命令征西护军夏侯洲等率领大军从河东出发，与钟繇会合。丞相仓曹属高柔劝曹操说：“大军向西进发，韩遂、马超会疑心是袭击他们，必然互相煽动。应当先安定三辅地区，如果三辅地区平定，只需发布文书，就能平定汉中。”曹操不听。
关中的将领们果然起了疑心，马超、韩遂、侯选、程银、杨秋、李堪、张横、梁兴、成宜、马玩等十部都起来造反，合起来有十万人马，据守潼关。曹操派遣安西将军曹仁统率诸将抵挡，令他们坚守营寨，不要出战。命令五官中郎将曹丕留守邺城，委任奋武将军程昱协助曹丕处理军务；任命门下督广陵人徐宣为左护军，留在邺城统率留守部队；任命乐安人国渊为丞相府的居府长史，负责留守事务。秋季，七月，曹操亲统大军，进攻马超等。许多参预军务讨论的人都说：“函谷关以西的士兵善于使用长矛，不挑选精锐部队作前锋，会抵抗不住的。”曹操说：“战争的决定权控制在我手中，而不在敌人手中。他们虽然善于使用长矛，我将使他们的长矛无法刺杀，你们只管着看吧。”
八月，曹操来到潼关，与马超等隔着潼关扎营。曹操表面上对马超急剧施加压力，暗中却派遣徐晃、朱灵率领步、骑兵四千人渡过蒲阪渡口，到黄河以西扎营。闰八月，曹操从潼关向北渡过黄河。士兵先过河，曹操单独与虎贲武士一百余人留在黄河南岸断后。马超率领步、骑兵一万余人前来进攻，箭如雨下，曹操仍坐在折凳上不动。许褚扶曹操上船。船工被流箭射中而死，许褚左手举起马鞍来为曹操抵挡乱箭，右手撑船。校尉丁斐，把曹军的牛马放出来引诱箸人，马超军大乱，兵士纷纷去抢牛马，曹操才得以渡过黄河。曹操大军就从蒲阪渡过西河，沿河作甬道，向南推进。马超等退守渭水流入黄河的渭口。曹操于是多设疑兵，暗中用船装载士兵进入渭水，修造浮桥。夜里，分兵到渭水南岸修筑营垒。马超等乘夜攻营，被伏兵击败。马超等在渭南驻军，派遣使者请求割让黄河以西土地，请求和解。曹操不答应。九月，曹操进军，全部渡过渭水。马超等几次挑战，但曹操仍然不许应战。马超等一再请求割让土地，并请求送儿子去作人质。贾诩部队认为可以假装同意，曹操再问他下一步的策略，贾诩说：“离间他们的联盟而已。曹操说：“我明白了。”
韩遂请求与曹操相见，曹操与韩遂本来是老朋友，于是，他们两人来到阵前，马头相交，在一起说了很长时间，没有说到军事，只是谈论京都的往事与老朋友们，高兴时拍手欢笑。当时，马超等部队中的关中人与胡人都来围观，前后重重叠叠，曹操笑着对他们说：“你们是想来看曹操吗？我也是一个人，并没有四只眼两张嘴，只是智谋多一些罢了。”会面结束后，马超等人问韩遂说：“曹操说了些什么？”韩遂说：“没有说什么。”马超等有了疑心。另一天，曹操又给韩遂写了一封信，信中圈改涂抹了许多地方，好象是韩遂所改的，马超等更加怀疑韩遂。曹操于是与马超等约定日期，进行会战。曹操先派轻装部队进行挑战，与马超等大战多时，才派遣精锐骑兵进行夹击，大破马超等，斩杀成宜、李堪等。韩遂、马超逃奔凉州，杨秋逃奔安定。
将领们问曹操说：“开始，敌军主力据守潼关，渭水以北的道路都空虚无备。但您不从河东进攻冯翊，反而屯兵在潼关之下，过了些日子再北渡黄河，是为什么？”曹操说：“敌军据守潼关，如果我军进入河东，敌军就会分兵把守各处渡口，我们便不能渡过西河。我故意以重兵集中在潼关，敌军就集中力量在南防守潼关，西河的戒备空虚，所以徐晃、朱灵两位将军能轻易取得西河。然后，我率大军北渡黄河，敌军无法与我争夺西河的原因，就在于两位将军已先驻军在那里了。我用车两和树木等，向南修建甬道，既是为了安全，也是向敌军示弱。渡过渭水后修筑营垒，敌人挑战而坚守不出，是使敌军骄傲自大；因此，敌军未修营垒，而请求割地。我答应了要求，所以顺从他们的意思是为了使他们自以为安全而不加防备。同时，我们养精蓄锐，一旦发起攻击，好比是迅雷不及掩耳。乐机变化莫测，不能执着于一种方法。”
开始时，关中联军的每一部将领率军来到，曹操都面有喜色，部下将领们询问缘故，曹操说：“关中地区辽阔广大，如果他们各自据险坚守，我们征讨他们，没有一两年平定不了。现在，他们全都集中在一起，人数虽多，但互不相下，军队没主帅，可以一举消灭，比逐一征讨要容易，所以我心中喜悦。”
冬季，十月，曹操从长安出发，向北讨伐杨秋，包围安定。杨秋投降，曹操恢复杨秋的爵位，让他留下来安抚部众。
十二月，曹操从安定班师，留夏侯渊驻守长安，任命议郎张既为京兆尹。张既用怀柔的政策招集流亡在外的难民重返家乡，兴建恢复县城与村镇，受到百姓的拥戴。
韩遂、马超叛变朝廷时，弘农、冯翊属下的县邑多起来响应，只有河东郡的百姓没有异心。曹操与马超等隔渭水相持，军粮全靠河东郡供给。到马超等被击败后，还剩下二十余万斛军粮。曹操因此提高河东郡太守杜畿的官秩为中二千石。
建安十七年（公元212年）春季，正月，曹操回到邺城，献帝下诏，命令在曹操拜见皇帝时，司仪官只称他的官职，不称名字；准许曹操入朝见到皇帝时，不必迈小步向前急走，并可以佩剑穿鞋上殿，遵照汉初丞相萧何的先例。
曹操西征关中时，河间人田银、苏伯造反，煽动幽州、冀州的百姓，引起混乱。五官中郎将曹丕打算亲自率军去征讨，功曹常林说：“北方的官员和百姓，乐于安定，厌恶战乱，服从朝廷的时间已很久，遵守法令的占多数。田银、苏伯等不过是聚集在一起的狗和羊，造不成多大的伤害。现在，我们的大军在远方，境外有强敌，将军镇守邺城，身系天下安危，轻率出军进行征讨，即使平定，也不足以显示威武。”于是，曹丕派遣将军贾信去讨伐，随即消灭叛军。还剩一千余人，请求投降，参预讨论的人都说：“曹公从前下过命令，凡是被包围后再投降的，一律不赦免。”程昱说：“这是在战乱时期所采取的一种临时应变策略。现在天下已基本平定，不能随便杀戮；即使要杀，也应当先向曹公报告。”那些人都说：“军事上的举动，可以专断，不必请示。”程昱说：“专断是指临时发生紧急情况。必须当机立断。现在，这些叛民控制在贾信手中，因此，我不愿将军擅作决定。”曹丕说：“对。”立即派人向曹操报告，曹操果然下令赦免不杀。后来，听到程昱的建议，非常高兴，说：“你不仅明了军事策略，还善于处理别人父子之间的关系。”
过去的惯例，在击败敌军的文告中，杀死一人要报成十人。而国渊在报告斩杀人数时，都据实上报。曹操询问他原因，国渊说：“征讨境外的敌寇，多报杀死及俘虏人数，是为了炫耀武力，耸人听闻。河间在咱们的疆界以内，田银等进行叛乱，虽然取得胜利，建立战功，我心中却感到羞耻。”曹操大为高兴。
夏季，五月，诛杀卫尉马腾，并把他的三族一齐处死。（这里马腾的死亡时间与《三国演义》中的就不同了）
马超等人的残余部众驻守蓝田，夏侯渊率军讨伐，全部平定。
县盗贼梁兴在冯翊抢掠。各县的官员十分害怕，都把县府移到郡府所在地。议论此事的人认为应当迁移到险要的地方去据守。左冯翊郑浑说：“梁兴等已经破散，陷藏逃窜到高山深谷，虽然还有人跟随，但大多数是被他胁迫的。现在，应当广开招降的途径，宣扬朝廷的威信，而据险自守这种作法是示弱。”于是，郑浑聚集官吏百姓，修整城郭，严加守备，招募百姓攻击叛民，获得叛民的财物和妇女，十分之七赏赐给夺取者。百姓大为高兴，都愿意追捕叛民。失去妻子的叛民，都回来请求投降，郑浑责令他们送来叛民所俘获的其他妇女，然后才还给他们的妻子。于是，这些叛民互相攻击，梁兴的党羽纷纷离散。郑浑又派有威望的官员和百姓分别到山谷去宣传朝廷的旨意，出来投降的人络绎不绝。郑浑于是命令各县的官员都把县府迁回本地，安抚百姓及投降的叛民。梁兴等恐惧，率领残部聚集在城，曹操派夏侯渊率军协助郑浑进行征讨，于是斩杀梁兴，余党全部平定。郑浑是郑泰的弟弟。
到此曹操全面平定了关中，消除了后顾之忧。
