徐晃、朱灵到达黄河西岸后，巩固了黄河上重要渡口蒲阪津，保证了曹操率主力到达此处后能顺利渡河。
这时，云集于此的曹军多达数万人，一个较为致命的问题随即出现，那就是道路状况很差，很难满足这么多士兵、马匹、后勤运输车辆来回调动的需要。时至今日，黄河两侧的陕西、山西一带仍然存在交通不畅的问题，原因是黄河及其众多支流把这一带劈成了沟壑纵横的模样。
复杂的地理环境，为关中联军派出小分队不断袭扰曹军创造了条件，尤其是曹军的运输队最容易遭到袭击。
为了解决这个问题，曹操命人短时间内在黄河西岸一侧筑起一条甬道来。所谓甬道，就是在路的两边筑起墙来保护道路的安全，是一种全封闭的道路。甬道本来是皇帝的特权，是保证皇帝出行安全用的，但也有运用于战争的先例。楚汉相争期间曾激战于荥阳附近，刘邦为了保证能源源不断从敖仓运出粮食，专门修了一条甬道。
但是现在军情紧急，筑墙肯定来不及了，据《三国志》记载，曹操下令修建的这条甬道，中间用树枝做成连续不断的栅栏，将各式车辆链接起来（连车树栅以两面），也算是对“甬道战”的一种创造性运用吧。
这一招还真管用，抵挡住了敌人的袭击，最后大军顺利推进到渭口，即渭河与黄河交汇处。
曹军主力在渭河北岸，马超等关中联军在渭河南岸。曹操率军绕了一个大圈，费尽九牛二虎之力又绕回到原处，但这一回情形完成不同了，他们绕到了潼关的后面，关中联军控制的天险已经派不上用场了。
两军隔渭河而对，曹操派人乘船渡渭河，并在渭河上架起浮桥（潜以舟载兵入渭，为浮桥）。一天夜里，通过浮桥运兵过河，分兵在渭河南岸扎起营寨。
关中联军在失掉潼关天险之后，又失去了渭河防线。
马超一看急了，赶紧组织反击，夜里攻营，但曹军早有准备，将敌人击溃。曹操趁势将全部人马拉到渭河南岸，与关中联军对垒。
据《曹瞒传》记载，在曹军渡河过程中，马超指挥人马拼命阻击，刚渡过河的曹军甚至来不及扎营。这一带地处渭河入黄河口，渭河带来的泥沙长年堆积，使这里的土质特别疏松，多沙地（所以这里适合种西瓜，一直到现在陕西大荔一带的西瓜都很有名），不利于就地筑营。
这时是农历九月，天气很寒冷，曹操采纳手下谋士娄圭的建议，用沙土筑城，一边堆沙一边浇水，水结冰再浇水堆沙，一夜之间堆出一座座“冰营”来。
对于这个记载有人表示怀疑，因为农历九月似乎还不能滴水成冰。这种怀疑忽略了建安十六年（211年）闰八月这个细节，也就是这一年有两个八月，农历九月相当于平常时候的十月，滴水成冰是完全可能的。曹军渡过渭河后，马超多次前来挑战，曹操不理，为的是挫一下马超的锐气。果然，马超拿“冰营”没办法，于是请求割地求和，同时愿意送儿子做人质，以表忠心（求送任子）。
但这已经晚了。曹操已经完成了对关中联军的攻击部署，如今是大军压境，关中联军一方人心惶惶，此时要么一战，要么无条件投降，任凭曹操发落。马超没有了谈判的本钱，还说什么割地求和？
但是贾诩向曹操建议，不如假装答应他们（诩以为可伪许之）。曹操问贾诩答应之后怎么办，贾诩只说了四个字：“离之而已。”曹操立刻就明白了。
所谓“离之”，就是离间他们，贾诩和曹操都看到了马超、韩遂之间的不合，决定就从这里做文章。
双方同意见面详谈，联军一方只有马超和韩遂，曹军一方由曹操率许褚前往，约好都不带随从。
马超认为这是个机会，他是有名的虎将，想凭借勇力突然袭击曹操（超负其力，阴欲前突太祖）。但当他准备动手时，突然发现曹操背后有一个大汉，正直勾勾地盯着他看，目光逼人，充满杀气。
马超不禁吃了一惊，他早就听说曹操身边有个叫许褚的人，力大无比，勇猛异常，难道就是他（超素闻褚勇，疑从骑是褚）？马超问曹操：“听说您手下有个虎侯，不知道现在何处？”曹操回头一指许褚，说这就是我的虎侯。马超想了想，再没有轻举妄动。
许褚勇冠三军，比已经战死的典韦有过之而无不及，军中给许褚起了个外号，叫做“虎痴”，许褚被封为关内侯，因此又有“虎侯”的美誉。
后来，双方又进行了一次阵前交谈，不知何故这次只有韩遂前往，没有马超。据《三国志》记载，韩遂的父亲跟曹操是同一年举的孝廉，有点类似后世同一年中进士的被称为“同年之谊”，当时全国一年被推举的孝廉最多也不过几十个人，这也算一种缘分。而韩遂本人是朝廷正式任命过的征西将军，跟曹操算是同僚关系（公与遂父同岁孝廉，又与遂同时侪辈），因为这个原因，双方会谈的气氛相当融洽。
曹操跟韩遂越走越近，两匹马不知不觉中走到了一块儿，两人聊了很久（交马语移时）。他们的谈话没有切入正题，而是叙了些旧事家常，说得高兴处，还拍手欢笑。
据《魏书》记载，为保证曹操的安全，曹军士兵在俩人谈话的区域之外放置了很多木头做的障碍物（木行马），这样其他人只能在很远的地方看到他们而听不到他们具体说些什么，但能看出来他们谈得很投机。
那时，天下没有不知道曹操大名的，包括从凉州来的少数民族士兵也是一样，但见过曹操的却很少，他们都想近距离看看曹操长得什么样。见此情形，曹操高声对关中联军将士开玩笑道：“大家想看我曹操吗？我也是人呀，并没有四只眼睛两张嘴，只不过智慧多一些罢了（汝欲观曹公邪？亦犹人也，非有四目两口，但多智耳）！”现场将士大笑，不像是准备厮杀，倒像是明星来开演唱会。
韩遂不知道，这正是曹操的计谋，而这个计谋的发明人还是他自己。十六年前，大体上也是在关中地区，韩遂用阵前拉家常这一招让李和樊稠翻脸，导致樊稠被杀。当时的那一幕，贾诩有可能就在阵前观看。
现在，曹操好比是韩遂，马超和韩遂好比是当年的李和樊稠，招数不在于是否新鲜，实用就行。以贾诩的机敏，临时克隆了这一招，反过来给韩遂用上，而韩遂还被蒙在鼓里。
果然，马超中计，韩遂一回来他就追问跟曹操在阵前谈了些什么，韩遂想了半天，实在想不出来谈过什么正经事，于是老实回答说没谈什么，但这让马超更起了疑心。
曹操又不失时机地加了一把火，他给韩遂写了封信，故意在信上涂涂改改，让人看了像是韩遂改的（公又与遂书，多所点窜，如遂改定者），曹操又故意让这封信落入马超手中，马超看了疑上加疑。
通过这几招，曹操把关中联军内部搞得互不信任，草木皆兵，没有信心再与曹军决战了。曹操感觉火候差不多了，于是下达了总攻击令。
总攻击开始前，曹军先以小股部队进行袭扰，反复冲击，使敌人疲于应对（先以轻兵挑之，战良久），之后，以虎豹骑为主力，突然纵兵杀出，将敌人打败。
成宜、李堪等人被斩于阵前，韩遂、马超率残部逃到凉州，杨秋逃到安定，程银、侯选逃到汉中。后来曹操征张鲁，汉中被攻破后程银、侯选投降。
至此，关中宣告平定。
此战是曹操高超军事指挥艺术的集中体现，表明此时的曹操在用兵上已达到炉火纯青的境界。他从战略层面考虑，先放慢攻击节奏，故意让敌人集结，以达到一战全歼的效果；之后巧用疑兵，又及时分兵，关键时候上演了离间计的好戏，让敌人节节退缩，从内部开始瓦解；到决战之时，敌人实际上已经丧失了拼死抵抗的决心。