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两军出营布成阵势。马超分庞德为左翼，马岱为右翼，韩遂押中军。马超挺枪纵马，立于阵前，高叫：“虎痴快出！”曹操在门旗下回顾众将说：“马超不减吕布之勇！”言未绝，许褚拍马舞刀而出。马超挺枪接战。斗了一百余合，胜负不分。马匹困乏，各回军中，换了马匹，又出阵前。又斗一百余合，不分胜负。许褚性起，飞回阵中，卸了盔甲，浑身筋突，赤体提刀，翻身上马，来与马超决战。两军大骇。两个又斗到三十余合，褚奋威举刀便砍马超。马超闪过，一枪望许褚心窝刺来。褚弃刀将枪挟住。两个在马上夺枪。许诸力大，一声响，拗断枪杆，各拿半节在马上乱打。曹操恐褚有失，遂令夏侯渊、曹洪两将齐出夹攻。庞德、马岱见曹操将齐出，麾两翼铁骑，横冲直撞，混杀将来。曹操兵大乱。许褚臂中两箭。诸将慌退入寨。马超直杀到壕边，操兵折伤大半。操令坚闭休出。马超回至渭口，谓韩遂说：“吾见恶战者莫如许褚，真虎痴也！”由于马超等关中联军在春季三月时，就在潼关屯集十万大军，加之用于长途输送粮草的人力，马超等关中联军各部，当年的农业生产几乎全废。此时秋季已过，冬季将临，马超等关中联军各部却征收不上来新粮，全军有断炊之虞，早前曹操与徐晃约好，在曹操从潼关北渡时，徐晃方才能从浦阪津西渡黄河，否则，消息过*露，徐晃会遭到敌人大军的攻击。马超看到曹操北渡，自然知道曹操是想从浦阪津渡河进入关中，遂派梁兴带五千多人前去抢占浦阪津渡口西岸，通常情况下，这五千人足以阻挡曹操渡河。但马超没有料到的是，徐晃已经抢先占领了浦阪津渡口西岸。经长途急行军赶到浦阪津渡口的梁兴军，自然不是以逸待劳的曹军对手。待消息经几百里路传回潼关马超大军处时，马超再想派大军去重新夺回渡口，时间已经来不及了。曹操事后解释时说：“贼兵占据潼关，如果我军进入河东，贼兵必将带兵守住黄河各渡口，我们就不能渡到河西；我故意重兵逼进潼关，贼兵全力来守南边，西河的防备空虚，因此徐晃、朱灵二将才能轻易占领西河。在此之后我带大军北渡黄河，贼兵不敢与我们争夺西河，是因为有他们二将的军队。”西渡黄河后，此时曹军的粮草改由河东经浦阪津渡口供应。曹操沿河连车树栅为甬道向南推进。马超退屯渭口。现在曹操又在南岸浇筑起冻沙城。天明时，冻沙城建筑完毕。九月，曹操大军全部从容渡过渭水，进驻渭南的营地。至此，曹操已经完成了全面攻击的准备。马超等曾数次前往挑战他，曹操又不答应，只守不攻。
韩遂决定向曹操求和，于是韩遂遣杨秋为使，直往曹操寨下书，言割地请和之事，马超也向曹操送子质请和。曹操说：“你且回寨，吾来日使人回报。”杨秋辞去。贾诩进来说：““丞相主意若何？”曹操说：“公所见若何？”贾诩说：“兵不厌诈，可伪许之；然后用反间计，令韩、马相疑，则一鼓可破也。”曹操抚掌大喜道：“天下高见，多有相合。文和之谋，正吾心中之事也。”于是遣人回书，言：“待我徐徐退兵，还汝河西之地。”一面教搭起浮桥，作退军之意。马超得书，谓韩遂说：“曹操虽然许和，奸雄难测。倘不准备，反受其制。马超与叔父轮流调兵，今日叔向曹操，马超向徐晃；明日超向操，叔向徐晃：分头提备，以防其诈。”韩遂依计而行。早有人报知曹操。曹操顾贾诩说：“我事济矣！”问：“来日是谁合向我这边？”人报道：“韩遂。”次日，操引众将出营，左右围绕，操独显一骑于中央。韩遂部卒多有不识操者，出阵观看。曹操高叫道：“你诸军欲观我曹操？我也只是普通人也，非有四目两口，但多智谋耳。”诸军皆有惧色。操使人过阵谓韩遂说：“丞相谨请韩将军会话。”韩遂即出阵；见曹操并无甲仗，亦弃衣甲，轻服匹马而出。二人马头相交，各按辔对语。操曰：“吾与将军之父，同举孝廉，吾尝以叔事之。我亦与公同登仕路，不觉有年矣。将军今年妙龄几何？”韩遂答曰：“四十岁矣。”曹操说：“往日在京师，皆青春年少，何期又中旬矣！安得天下清平共乐耶！”只把旧事细说，并不提起军情。说罢大笑，相谈有一个时辰，方回马而别，各自归寨。早有人将此事报知马超。超忙来问韩遂说：“今日曹操阵前所言何事？”韩遂说：“只诉京师旧事耳。”马超说：“安得不言军务乎？”韩遂说：“曹操不言，我何独言之？”马超心甚疑，不言而退。曹操回寨，谓贾诩曰：“公知吾阵前对语之意否？”贾诩说：“此意虽妙，尚未足间二人。某有一策，令韩、马自相仇杀。”操问其计。贾诩曰：“马超乃一勇之夫，不识机密。丞相亲笔作一书，单与韩遂，中间朦胧字样，于要害处，自行涂抹改易，然后封送与韩遂，故意使马超知之。超必索书来看。若看见上面要紧去处，尽皆改抹，只猜是韩遂恐超知甚机密事，自行改抹，正合着单骑会语之疑；疑则必生乱。我更暗结韩遂部下诸将，使互相离间，超可图矣。”操曰：“此计甚妙。”随写书一封，将紧要处尽皆改抹，然后实封，故意多遣从人送过寨去，下了书自回。果然有人报知马超。超心愈疑，径来韩遂处索书看。韩遂将书与超。超见上面有改抹字样，问遂曰：“书上如何都改抹糊涂？”韩遂说：“原书如此，不知何故。”马超说：“岂有以草稿送与人耶？必是叔父怕我知了详细，先改抹了。”韩遂说：“莫非曹操错将草稿误封来了。”马超说：“我又不信。曹操是精细之人，岂有差错？吾与叔父并力杀贼，奈何忽生异心？”韩遂说：“你若不信我心，来日我在阵前赚操说话，汝从阵内突出，一枪刺杀便了。”马超说：“若如此，方见叔父真心。”两人约定。
次日，韩遂引侯选、李堪、梁兴、马玩、杨秋五将出阵。马超藏在门影里。韩遂使人到操寨前，高叫：“韩将军请丞相攀话。”曹操乃令曹洪引数十骑径出阵前与韩遂相见。马离数步，曹洪马上欠身言说：“夜来丞相拜意将军之言，切莫有误。”言讫便回马。马超听得大怒，挺枪骤马，便刺韩遂。五将拦住，劝解回寨。韩遂说：“贤侄休疑，我无歹心。”马超那里肯信，恨怨而去。
韩遂与五将商议曰：“这事如何解释？”杨秋曰：“马超倚仗武勇，常有欺凌主公之心，便胜得曹操，怎肯相让？以某愚见，不如暗投曹公，他日不失封侯之位。”遂曰：“吾与马腾结为兄弟，安忍背之？”杨秋曰：“事已至此，不得不然。”遂曰：“谁可以通消息？”杨秋曰：“某愿往。”遂乃写密书，遣杨秋径来操寨，说投降之事。操大喜，许封韩遂为西凉侯、杨秋为西凉太守。其余皆有官爵。约定放火为号，共谋马超。杨秋拜辞，回见韩遂，备言其事：“约定今夜放火，里应外合。”遂大喜，就令军士于中军帐后堆积干柴，五将各悬刀剑听候，韩遂商议，欲设宴赚请马超，就席图之，犹豫未决。
不想马超早已探知备细，便带亲随数人，仗剑先行，令庞德、马岱为后应。马超潜步入韩遂帐中，只见五将与韩遂密语，只听得杨秋口中说道：“事不宜迟，可速行之！”超大怒，挥剑直入，大喝道：“群贼焉敢谋害我！”众皆大惊。超一剑望韩遂面门剁去，遂慌以手迎之，左手早被砍落。五将挥刀齐出。超纵步出帐外，五将围绕混杀。超独挥宝剑，力敌五将。剑光明处，鲜血溅飞：砍翻马玩，剁倒梁兴，三将各自逃生。马超复入帐中来杀韩遂时，已被左右救去。帐后一把火起，各寨兵皆动。马超连忙上马，庞德、马岱亦至，互相混战。
曹操便知道两人已经离心，于是派轻骑兵来挑战，又派虎豹骑夹击联军，联军大败。恰好于禁从马超背后赶来。于禁开弓射马超。马超听得背后弦响，急闪过，却射中前面李堪，落马而死。马超回马来杀于禁，于禁拍马走了。超回桥上住扎。操兵前后大至，虎卫军当先，乱箭夹射马超。超以枪拨之，矢皆纷纷落地。超令从骑往来突杀。争奈曹兵围裹坚厚，不能冲出。超于桥上大喝一声，杀入河北，从骑皆被截断。超独在阵中冲突，却被暗弩射倒坐下马，马超堕于地上，操军逼合。正在危急，忽西北角上一彪军杀来，乃庞德、马岱也。二人救了马超，将军中战马与马超骑了，翻身杀条血路，望西北而走。曹操闻马超走脱，传令诸将：“无分晓夜，务要赶到马儿。如得首级者，千金赏，万户侯；生获者封大将军。”众将得令，各要争功，迤逦追袭。马超顾不得人马困乏，只顾奔走。从骑渐渐皆散。步兵走不上者，多被擒去。止剩得三十余骑，与庞德、马岱望陇西临洮而去。成宜早前随马超等人夜袭曹操营寨，率三十骑往前哨探，侵入中军，被伏兵包围，为夏侯渊所杀。
梁兴随韩遂败走凉州，杨秋守安定程银、侯选南入汉中投靠张鲁。渭南之战到此结束。在这场惊天动地的大决战中，关中诸将的武装力量基本损失殆尽，从此结束了关中军阀割据的局面，关中各郡进入了朝廷直接掌控的范围。十月曹操从长安出兵北征杨秋，包围安定，杨秋投降。曹操保留杨秋的爵位，让他留在安定安抚部下。曹操在此战将关中数个拥兵自重的军团打败，令他们不能结合反抗，大大削弱了他们的势力。钟繇因此战期间粮草供给有功，被封为前军师。
公元212年（建安十七年），曹操派徐晃与夏侯渊平定隃麋、汧诸氐，在安定会师。曹操还邺后，又派徐晃与夏侯渊平鄜（今陕西省延安地区）、夏阳余贼，斩杀梁兴，降三千余户。