建安十六年（公元211年）三月，曹*派遣司隸校尉鐘繇討伐張魯，命令征西護軍夏侯洲等率領大軍從河東出發，與鐘繇會合。丞相倉曹屬高柔勸曹*說︰「大軍向西進發，韓遂、馬超會疑心是襲擊他們，必然互相煽動。應當先安定三輔地區，如果三輔地區平定，只需發布文書，就能平定漢中。」曹*不听。
關中的將領們果然起了疑心，馬超、韓遂、侯選、程銀、楊秋、李堪、張橫、梁興、成宜、馬玩等十部都起來造反，合起來有十萬人馬，據守潼關。曹*派遣安西將軍曹仁統率諸將抵擋，令他們堅守營寨，不要出戰。命令五官中郎將曹丕留守鄴城，委任奮武將軍程昱協助曹丕處理軍務；任命門下督廣陵人徐宣為左護軍，留在鄴城統率留守部隊；任命樂安人國淵為丞相府的居府長史，負責留守事務。秋季，七月，曹*親統大軍，進攻馬超等。許多參預軍務討論的人都說︰「函谷關以西的士兵善于使用長矛，不挑選精銳部隊作前鋒，會抵抗不住的。」曹*說︰「戰爭的決定權控制在我手中，而不在敵人手中。他們雖然善于使用長矛，我將使他們的長矛無法刺殺，你們只管著看吧。」
八月，曹*來到潼關，與馬超等隔著潼關扎營。曹*表面上對馬超急劇施加壓力，暗中卻派遣徐晃、朱靈率領步、騎兵四千人渡過蒲阪渡口，到黃河以西扎營。閏八月，曹*從潼關向北渡過黃河。士兵先過河，曹*單獨與虎賁武士一百余人留在黃河南岸斷後。馬超率領步、騎兵一萬余人前來進攻，箭如雨下，曹*仍坐在折凳上不動。許褚扶曹*上船。船工被流箭射中而死，許褚左手舉起馬鞍來為曹*抵擋亂箭，右手撐船。校尉丁斐，把曹軍的牛馬放出來引誘箸人，馬超軍大亂，兵士紛紛去搶牛馬，曹*才得以渡過黃河。曹*大軍就從蒲阪渡過西河，沿河作甬道，向南推進。馬超等退守渭水流入黃河的渭口。曹*于是多設疑兵，暗中用船裝載士兵進入渭水，修造浮橋。夜里，分兵到渭水南岸修築營壘。馬超等乘夜攻營，被伏兵擊敗。馬超等在渭南駐軍，派遣使者請求割讓黃河以西土地，請求和解。曹*不答應。九月，曹*進軍，全部渡過渭水。馬超等幾次挑戰，但曹*仍然不許應戰。馬超等一再請求割讓土地，並請求送兒子去作人質。賈詡部隊認為可以假裝同意，曹*再問他下一步的策略，賈詡說︰「離間他們的聯盟而已。曹*說︰「我明白了。」
韓遂請求與曹*相見，曹*與韓遂本來是老朋友，于是，他們兩人來到陣前，馬頭相交，在一起說了很長時間，沒有說到軍事，只是談論京都的往事與老朋友們，高興時拍手歡笑。當時，馬超等部隊中的關中人與胡人都來圍觀，前後重重疊疊，曹*笑著對他們說︰「你們是想來看曹*嗎？我也是一個人，並沒有四只眼兩張嘴，只是智謀多一些罷了。」會面結束後，馬超等人問韓遂說︰「曹*說了些什麼？」韓遂說︰「沒有說什麼。」馬超等有了疑心。另一天，曹*又給韓遂寫了一封信，信中圈改涂抹了許多地方，好象是韓遂所改的，馬超等更加懷疑韓遂。曹*于是與馬超等約定日期，進行會戰。曹*先派輕裝部隊進行挑戰，與馬超等大戰多時，才派遣精銳騎兵進行夾擊，大破馬超等，斬殺成宜、李堪等。韓遂、馬超逃奔涼州，楊秋逃奔安定。
將領們問曹*說︰「開始，敵軍主力據守潼關，渭水以北的道路都空虛無備。但您不從河東進攻馮翊，反而屯兵在潼關之下，過了些日子再北渡黃河，是為什麼？」曹*說︰「敵軍據守潼關，如果我軍進入河東，敵軍就會分兵把守各處渡口，我們便不能渡過西河。我故意以重兵集中在潼關，敵軍就集中力量在南防守潼關，西河的戒備空虛，所以徐晃、朱靈兩位將軍能輕易取得西河。然後，我率大軍北渡黃河，敵軍無法與我爭奪西河的原因，就在于兩位將軍已先駐軍在那里了。我用車兩和樹木等，向南修建甬道，既是為了安全，也是向敵軍示弱。渡過渭水後修築營壘，敵人挑戰而堅守不出，是使敵軍驕傲自大；因此，敵軍未修營壘，而請求割地。我答應了要求，所以順從他們的意思是為了使他們自以為安全而不加防備。同時，我們養精蓄銳，一旦發起攻擊，好比是迅雷不及掩耳。樂機變化莫測，不能執著于一種方法。」
開始時，關中聯軍的每一部將領率軍來到，曹*都面有喜色，部下將領們詢問緣故，曹*說︰「關中地區遼闊廣大，如果他們各自據險堅守，我們征討他們，沒有一兩年平定不了。現在，他們全都集中在一起，人數雖多，但互不相下，軍隊沒主帥，可以一舉消滅，比逐一征討要容易，所以我心中喜悅。」
冬季，十月，曹*從長安出發，向北討伐楊秋，包圍安定。楊秋投降，曹*恢復楊秋的爵位，讓他留下來安撫部眾。
十二月，曹*從安定班師，留夏侯淵駐守長安，任命議郎張既為京兆尹。張既用懷柔的政策招集流亡在外的難民重返家鄉，興建恢復縣城與村鎮，受到百姓的擁戴。
韓遂、馬超叛變朝廷時，弘農、馮翊屬下的縣邑多起來響應，只有河東郡的百姓沒有異心。曹*與馬超等隔渭水相持，軍糧全靠河東郡供給。到馬超等被擊敗後，還剩下二十余萬斛軍糧。曹*因此提高河東郡太守杜畿的官秩為中二千石。
建安十七年（公元212年）春季，正月，曹*回到鄴城，獻帝下詔，命令在曹*拜見皇帝時，司儀官只稱他的官職，不稱名字；準許曹*入朝見到皇帝時，不必邁小步向前急走，並可以佩劍穿鞋上殿，遵照漢初丞相蕭何的先例。
曹*西征關中時，河間人田銀、蘇伯造反，煽動幽州、冀州的百姓，引起混亂。五官中郎將曹丕打算親自率軍去征討，功曹常林說︰「北方的官員和百姓，樂于安定，厭惡戰亂，服從朝廷的時間已很久，遵守法令的佔多數。田銀、蘇伯等不過是聚集在一起的狗和羊，造不成多大的傷害。現在，我們的大軍在遠方，境外有強敵，將軍鎮守鄴城，身系天下安危，輕率出軍進行征討，即使平定，也不足以顯示威武。」于是，曹丕派遣將軍賈信去討伐，隨即消滅叛軍。還剩一千余人，請求投降，參預討論的人都說︰「曹公從前下過命令，凡是被包圍後再投降的，一律不赦免。」程昱說︰「這是在戰亂時期所采取的一種臨時應變策略。現在天下已基本平定，不能隨便殺戮；即使要殺，也應當先向曹公報告。」那些人都說︰「軍事上的舉動，可以專斷，不必請示。」程昱說︰「專斷是指臨時發生緊急情況。必須當機立斷。現在，這些叛民控制在賈信手中，因此，我不願將軍擅作決定。」曹丕說︰「對。」立即派人向曹*報告，曹*果然下令赦免不殺。後來，听到程昱的建議，非常高興，說︰「你不僅明了軍事策略，還善于處理別人父子之間的關系。」
過去的慣例，在擊敗敵軍的文告中，殺死一人要報成十人。而國淵在報告斬殺人數時，都據實上報。曹*詢問他原因，國淵說︰「征討境外的敵寇，多報殺死及俘虜人數，是為了炫耀武力，聳人听聞。河間在咱們的疆界以內，田銀等進行叛亂，雖然取得勝利，建立戰功，我心中卻感到羞恥。」曹*大為高興。
夏季，五月，誅殺衛尉馬騰，並把他的三族一齊處死。（這里馬騰的死亡時間與《三國演義》中的就不同了）
馬超等人的殘余部眾駐守藍田，夏侯淵率軍討伐，全部平定。
縣盜賊梁興在馮翊搶掠。各縣的官員十分害怕，都把縣府移到郡府所在地。議論此事的人認為應當遷移到險要的地方去據守。左馮翊鄭渾說︰「梁興等已經破散，陷藏逃竄到高山深谷，雖然還有人跟隨，但大多數是被他脅迫的。現在，應當廣開招降的途徑，宣揚朝廷的威信，而據險自守這種作法是示弱。」于是，鄭渾聚集官吏百姓，修整城郭，嚴加守備，招募百姓攻擊叛民，獲得叛民的財物和婦女，十分之七賞賜給奪取者。百姓大為高興，都願意追捕叛民。失去妻子的叛民，都回來請求投降，鄭渾責令他們送來叛民所俘獲的其他婦女，然後才還給他們的妻子。于是，這些叛民互相攻擊，梁興的黨羽紛紛離散。鄭渾又派有威望的官員和百姓分別到山谷去宣傳朝廷的旨意，出來投降的人絡繹不絕。鄭渾于是命令各縣的官員都把縣府遷回本地，安撫百姓及投降的叛民。梁興等恐懼，率領殘部聚集在城，曹*派夏侯淵率軍協助鄭渾進行征討，于是斬殺梁興，余黨全部平定。鄭渾是鄭泰的弟弟。
到此曹*全面平定了關中，消除了後顧之憂。