建安二十年七月，魏公曹操率軍進攻漢中。張魯準備率衆投降，他弟弟張衛不肯，對張魯說：“曹軍原來，不熟地理，只需要緊守陽平關，定然最後無功而返。”
張魯擔心：“魏公用兵如神，多少英雄都被他平定了，我們小小漢中，地狹人少，如何能夠憑一郡之力抗衡真個中國？”
張衛依然堅持：“什麼用兵如神，不過是自我吹噓罷了。那劉玄德缺兵少糧的情況下猶能逆襲，現在佔據州郡，誰敢小覷。我們現在的實力比當初劉玄德的境遇好太多了，並且漢中北部崇山峻嶺，只需要數萬大軍，我絕對讓他曹孟德望關興嘆。”
張魯拗不過，只好命張衛率領數萬軍隊據關而守，在山間築城牆，長十餘里。
出發前，涼州從事對曹操說：“攻打張魯很容易，陽平關下，多爲平地，南北兩山距離較遠，正好可以進攻。只要魏公大軍開到，張魯根本守不住。”
曹操聽了信以爲然，等到了陽平關，看到山勢陡峻，根本不是心中所想的樣子。不禁感慨：“只聽別人說，看來是不行的，跟自己想象差太遠。涼州從事乃是武都人，一輩子都沒見過平原，以爲陽平關下這碗底大點兒地方就很大了。”
曹軍仰攻陽平山上張衛設置的營寨，因爲山勢陡峭，根本攻不下來。曠日持久，士卒死傷累累，曹操也泄氣了，準備撤軍。便派大將軍夏侯惇、將軍許褚率軍接應山上衆軍。
無巧不成書，有時候巧合比故事裡還神奇。就在曹軍撤軍的過程中，前部將士夜間迷路了，在大山裡兜兜轉轉，竟然闖進了張衛設置的一處重要營寨中。
張衛軍中士卒大驚失色，以爲曹軍趁夜色攻來，紛紛逃竄。夏侯惇、許褚在後軍，還不知道前軍發生的事。侍中辛毘、主簿劉曄前來報告，夏侯惇、許褚滿臉疑惑，竟然有這麼巧合的事？撤軍途中把敵軍嚇跑了？扯犢子呢？
夏侯惇怎麼都不相信，親自前往查看。回去後向曹操報告，同時，請曹操暫緩退軍，先率軍攻打一下張衛的主營再說。
張衛正滿懷驚恐，曹軍明明久攻無果，怎麼就半夜摸到了自己的重要營寨中了。只聽說曹軍善戰，沒想到如此英勇，甫一交戰，自家軍隊就潰敗了。看來，這些天曹軍一直是在迷惑自己，讓自己放鬆警惕。都說曹操用兵如神，看來不是說說而已。
被動防守了一天，張衛意識到自己不是曹軍對手，趁夜色棄營而走。曹軍順利佔領了陽平關。
張魯聽聞陽平關已失，心裡不斷埋怨自己這不爭氣的弟弟，明明沒有金剛鑽，偏偏要攬下瓷器活兒。現在倒好，仗打輸了不說，還把曹操給得罪狠了吧。想在想投降，都擔心人家曹操會不會輕易接受了。
閻圃向張魯進諫說：“現在情勢緊迫纔去投降，肯定被魏公看不起，也沒有什麼大功勞，以後日子指定不好過。不如前往巴中，聯合杜濩等人，與魏公相抗。然後再送人質給魏公，請求投降，到那時候，功勞就大得多了。”
於是，張魯率人前往巴中。有人向張魯建議：“師君，我們一退，府庫糧草、珍寶將全被曹軍得去，不如全部燒燬，不能留給曹軍。”
張魯趕緊阻止：“萬萬不可，我等本來就是想要投降的，現在離開只是暫且避其鋒芒，並不是要與國家爲敵。府庫中的一切都是國家所有，一旦燒燬，那毀掉的都是百姓的心血呀！”
曹操率軍進入南鄭，知道張魯封存府庫後離開，對張魯大加讚賞。又因爲張魯平時行道，教化百姓向善，曹操覺得張魯人還不錯，挺良善，便派人前往巴中安撫。
丞相主簿司馬懿對曹操說：“魏公，劉備以狡詐的方式取得益州，統治時日尚短，現在蜀中軍民尚未全部歸心。並且現在劉備又遠在江南，與孫權爭奪荊州，無力西顧，機不可失呀。現在我們拿下漢中，蜀中必然震恐，大軍威壓之下，劉備勢力定然瓦解。”
曹操說：“貪心不足蛇吞象，現在得了隴，怎麼能再望蜀呢？”
侍中劉曄也向曹操進諫：“劉備乃是當世人傑，現在得到蜀地時日尚短，魏公英明神武，大軍傾壓，將攻無不克。一旦錯過時機，劉備以明於治國的諸葛亮爲丞相，以勇冠三軍的關羽、張飛、馬超等爲大將，扼守險要，我們就再也無力征討了。”
曹操仍然不同意進攻蜀中。過了七天，有蜀人前來歸降。曹操問及蜀中情況，降者說：“聽聞魏公天兵將至，蜀中震恐，一天驚恐數十回。雖然守將斬殺不少人，但仍然無法使百姓安定。”
曹操聽聞蜀中情況，又問劉曄：“現在還能攻打蜀中嗎？”
劉曄說：“已經過了這麼久了，蜀中已經稍微安穩了一些。現在再去攻打，已經遲了。”
曹操也不強求，率領麾下返回鄴城。留夏侯淵爲都護將軍，都督張郃、徐晃等守漢中，以丞相長史杜襲爲駙馬都尉，都督漢中諸事。杜襲教化開導百姓，漢中百姓自願遷徙去洛陽、鄴城的多達八萬多口。
九月，巴郡等地的夷帥樸胡、杜濩、任約等人率衆來降。曹操分巴郡爲三郡，以樸胡爲巴東太守，以杜濩爲巴西太守，以任約爲巴郡太守，全部封列侯。
十一月，張魯率領家族出降。魏公曹操封張魯爲鎮南將軍，閬中侯，食邑萬戶。封張魯的五個兒子皆爲列侯，爲自己的兒子曹彭祖娶了張魯的女兒。後來張魯去世，諡號爲原侯，兒子張富繼承爵位。
當初有百姓種地時挖出一枚玉印，羣下皆勸張魯稱漢寧王。唯有功曹閻圃勸諫張魯說：“漢中戶口過十萬，百姓殷富，四面險固。如果上尊天子，將來能成就齊桓、晉文之功，最差也能與竇融相當，不失富貴。如果貿然稱王，則相當於斬斷了自己的退路。希望還是不要稱王，給自己取禍。”
張魯聽從閻圃的建議，沒有稱王。閻圃隨張魯一起歸降，曹操封閻圃爲列侯。
程銀、侯選、龐惪等西涼軍閥被曹操擊敗後都投靠了張魯，現在又隨張魯一起投降。曹操令程銀、侯選官復原職，封龐惪爲立義將軍。