曹操派遣曹仁等前往拒守，因为忌惮精悍的关西兵，曹操下令让诸将坚壁固守，不要正面进攻，等待曹操大军的支援。
七月，曹操率领中原大军亲自西征，与马超联军在潼关夹关对峙。曹操军驻扎在蒲阪，想要西行渡河，马超听说后对韩遂说：“可以在渭河北岸据守，不到二十天，河东粮食用尽，敌军便自行撤军了。”
但是被韩遂的“半渡击之”的计谋代替。曹操后来听闻了马超的计策后，感叹：“马超小儿不死的话，我恐怕连葬身的地方都没有了”。
八月，曹操从潼关北渡黄河，派徐晃、朱灵等率领四千人夜渡蒲阪津，马超知道后，派遣梁兴率领五千兵进攻徐晃，但被徐晃击退，徐晃占据河西设立营寨。
曹操亲自率军从潼关北渡，前队刚过，曹操和许褚以及虎士一百余人断后，马超突然率领步骑一万馀杀到，曹操身边的一百余人在马超军的箭矢覆盖下不知所为。
但曹操仍然坐在胡床上不起身。许褚、张郃等将领，见事情紧急，将曹操架起带出船中，急忙渡河，马超率领骑兵在后边追边射，箭如雨下，曹操几乎丧命。
曹操部下虎痴许褚一手用马鞍挡箭，一手撑杆，拼死救出曹操。
曹操帐下校尉丁斐在河岸放出大量牛马，马超的士兵顾不得乘胜追击，跑去抓奔跑牛马，马超控制不住，曹操因此才得以成功渡河。曹操手下将领见到南岸处的兵败，又不知道曹操在哪，都非常的惶恐害怕，到后来见到曹操，心情有的悲伤有的惊喜，还有的都吓哭了。曹操却大笑说："今天差点被小贼的困住了！"
九月，曹操遁过渭河作甬道到渭南。马韩联军失去战略要地，只能退守，拒兵屯在渭口，曹操却多次设疑兵，用船载兵偷偷潜入渭河，做成为浮桥，到一天夜里，曹操分兵在渭南结营。联军趁夜攻击兵营，曹操设置伏兵击破马韩联军偷袭。于是马超等人屯兵在渭南，遣送信件，请求割河西一带和谈，但曹操不答应。
在娄圭泼水筑冰城的计策下，曹操大军得以分批渡过渭水，马韩联军数次挑战，曹操只是不应战，联军只能请求割地，送人质请和。曹操采取贾诩的计策，假装答应，然后在阵前和韩遂谈言欢笑.
期间马超韩遂在与曹操当面谈判时，马超自负其勇力绝人，在马前放置六斛米囊，骑马来回奔走，用斛米测量曹操的体重，想要暗中偷袭擒捉曹操，但听说曹操的护卫许褚，勇猛过人，所以放弃了这个想法。
曹操不久后知道，心有余悸，说：“差点被狡猾的贼人所欺凌。”让联军猜疑韩遂，曹操又写了一封涂改伪招安信给韩遂，离间关中联军，导致了关中联军的军阀们相互猜疑。曹操趁此机会发动攻击，在渭南一带发动大决战，联军大败，成宜、李堪等战死。
潼关之战，总计军民死伤数以万计，窦武之孙窦辅也中箭身死，曹操后悔没有听卫觊的话，逼反关中诸将。
马超、韩遂战败后，马超退往安定，又走奔上邽，郡人任养率自己的部众迎接马超。
曹操追兵到安定后，因为河间有人反叛，于是撤军回东边，当时作为使节的杨阜劝说曹操：“马超有韩信、英布那样的勇略，又深得羌人、氐人的拥戴，整个西州都非常敬畏他，如果大军归还，不做周密的准备，恐怕陇上诸郡县，就不再属于国家的了。”曹操虽然明白马超的厉害，但河间战事迫在眉睫，就先撤兵回邺城，留下夏侯渊等名将屯驻长安，而陇上诸郡为备不周。
建安十七年，正月，马超潼关之战失败不久，就再次率领诸戎渠帅起兵凉州，陇上诸郡县（陇西、南安、汉阳、永阳等）尽皆响应，张鲁也遣大将杨昂相助马超，共集结万余人，围攻凉州刺史韦康于凉州治所冀城。
五月，曹操抓捕在邺城的马超族人包括父亲马腾和两个弟弟马休、马铁等，计三族人，全部斩杀。
冀城自正月坚守至八月，救兵不至。凉州刺史韦康派阎温秘密出城，向夏侯渊求救。阎温乘夜潜水出城。第二天，马超军发现阎温的踪迹，派人追踪拦截他，马超军在显亲界内追上阎温，将他捉住去见马超。