建安十六年春正月，（《魏書》記載：庚辰日，天子回覆曹操，減少其封戶五千，將曹操所讓出的三縣一萬五千戶封給曹操的三個兒子，曹植被封為平原侯，曹據被封為范陽侯，曹豹被封為饒陽侯，每人食邑各五千戶。）天子任命曹操的世子曹丕為五官中郎將，併為其設定屬官，使其成為丞相的副手。此時，太原的商曜等人佔據大陵發動叛亂，曹操派遣夏侯淵、徐晃前去圍剿，成功將其擊敗。

張魯佔據漢中，三月，曹操派鍾繇前去討伐。為了配合鍾繇的行動，曹操命令夏侯淵等人從河東出發，與鍾繇會師。

當時，關中的諸位將領懷疑鍾繇表面上討伐張魯，實則是想趁機襲擊自己，馬超便聯合韓遂、楊秋、李堪、成宜等人起兵反叛。曹操得知後，派遣曹仁前去征討。馬超等人屯兵潼關，曹操告誡諸將：“關西計程車兵精銳強悍，你們要堅守營壘，切勿與他們輕易交戰。”

秋七月，曹操親自西征。（《魏書》記載，很多人進言說：“關西兵強馬壯，擅長使用長矛，若不精選前鋒，根本無法抵擋。”曹操卻對諸將說：“戰爭的主動權在我們手中，而非敵人。敵人雖擅長使用長矛，我卻能讓他們無法施展，你們就等著瞧吧。”）曹操率領大軍抵達潼關後，與馬超等人的軍隊隔著潼關對峙。曹操一方面與馬超軍僵持不下，另一方面暗中派遣徐晃、朱靈等人趁夜渡過蒲阪津，在黃河西岸安營紮寨。之後，曹操準備從潼關北渡黃河，就在軍隊還未完全渡河時，馬超迅速率軍趕到，向曹操的船隻發起猛攻。千鈞一髮之際，校尉丁斐放出牛馬引誘敵軍，敵軍見了紛紛爭搶牛馬，一時間陣腳大亂，曹操這才得以順利渡河。（《曹瞞傳》記載，曹操正要過河，前隊剛渡過去，馬超等人突然殺到，曹操卻還坐在胡床上鎮定自若。張合等將領見情況危急，一起將曹操拉進船中。黃河水流湍急，等到船靠岸時，已經被衝出四五里遠。馬超的騎兵在後面緊追不捨，萬箭齊發，如雨般射向曹操的船隻。諸將見軍隊戰敗，又不知曹操的下落，個個惶恐不安。直到看到曹操安然無恙，眾人這才又悲又喜，有的人甚至激動得流下眼淚。曹操卻大笑道：“今日差點被這些小賊困住了！” ）曹操渡河後，沿著黃河修築甬道，向南進軍。馬超等人見曹操渡河成功，便退兵到渭口進行抵抗。曹操見狀，故意多設疑兵，迷惑敵軍，同時暗中用船運載士兵進入渭水，搭建浮橋。到了夜晚，曹操又分兵在渭水南岸紮營。馬超等人得知後，趁夜襲擊曹營，卻被曹操預先設下的伏兵打得大敗而逃。

馬超等人無奈，只能屯兵渭水南岸，派使者向曹操請求割讓黃河以西的土地，以此求和，曹操果斷拒絕。九月，曹操大軍準備渡過渭水。（《曹瞞傳》記載，當時曹操的軍隊每次渡河，都會遭到馬超騎兵的衝擊，營寨無法建立，而且當地沙地較多，難以築壘。婁子伯向曹操獻策說：“如今天寒地凍，可以用沙子築城，再用水澆灌，一夜之間就能建成。”曹操採納了他的建議，派人用許多縑囊運水，趁夜運兵築城。等到天亮時，沙城已經建成，曹操的軍隊這才得以全部渡過渭水。有人對九月的水是否會結冰表示懷疑。臣松之依據《魏書》考證：曹操的軍隊八月抵達潼關，閏月北渡黃河，可知當年是閏八月，到了九月，天氣寒冷到能結冰也是有可能的。）馬超等人多次向曹操挑戰，曹操都不予理會。馬超等人又堅決請求割地求和，並願意送兒子為人質，曹操採用賈詡的計策，假意答應了他們。

韓遂請求與曹操見面，曹操與韓遂的父親是同一年被舉為孝廉，他和韓遂也是同輩人。二人見面後，騎著馬交談了很長時間，卻只聊京都的舊人舊事，從不談及軍事，還不時拍手歡笑。會面結束後，馬超等人問韓遂：“曹操和你說了什麼？”韓遂回答：“沒說什麼。”馬超等人心中頓時起了疑心。（《魏書》記載，曹操後來又與韓遂等人會面交談，諸將提醒曹操：“您與敵人交談，不應如此大意，最好設定木行馬作為防備。”曹操覺得有道理，便採納了這個建議。敵軍將領見到曹操後，都在馬上行禮。前來圍觀的秦地、胡地百姓層層疊疊，曹操笑著對他們說：“你們想看看曹公嗎？我也和普通人一樣，並非有四隻眼睛、兩張嘴巴，只是智謀多一些罷了！”胡人紛紛前來圍觀。曹操又排列五千鐵騎，組成十重軍陣，盔甲在陽光下閃耀著光芒，敵軍見狀，更加震驚和畏懼。）

過了幾天，曹操又給韓遂寫了一封信，在信中故意多處塗改，就像是韓遂改過的一樣，馬超等人見狀，對韓遂更加懷疑。見時機成熟，曹操便與馬超等人約定日期進行會戰。戰鬥開始後，曹操先派輕裝部隊挑戰，與敵軍激戰良久，隨後出動精銳的虎騎進行夾擊。這一戰，曹操大獲全勝，斬殺了成宜、李堪等人。馬超、韓遂等人戰敗後逃往涼州，楊秋則逃奔安定，至此，關中地區被曹操平定。

戰後，諸將心中疑惑，有人問曹操：“起初，敵軍據守潼關，渭北道路空虛，您為什麼不直接從河東攻打馮翊，反而在潼關與敵軍僵持，過了很久才北渡黃河呢？”曹操解釋道：“敵軍據守潼關，如果我軍進入河東，敵軍必然會分兵把守各個渡口，那麼西河就難以渡過了。所以我故意用重兵逼近潼關，敵軍果然調集全部兵力在南面防守，西河的防備因此空虛，徐晃、朱靈二位將軍才能順利佔據西河。之後我軍再北渡黃河，敵軍無法與我們爭奪西河，就是因為有二位將軍在西河的軍隊。我們用車輛連線起來，樹立柵欄，修築甬道向南進軍，（臣松之考證：漢高祖二年，與楚軍在滎陽京、索之間交戰，修築甬道連線黃河，以便獲取敖倉的糧食。應劭解釋說：“修築垣牆就像街巷一樣，是為了防止敵人劫掠輜重。”如今魏武帝曹操沒有修築垣牆，只是用車輛連線、樹立柵欄來抵禦敵人。）這樣既能保證自身立於不敗之地，又能向敵軍示弱。渡過渭水後，我們修築堅固的營壘，敵軍來攻也不出戰，就是為了讓他們驕傲輕敵，所以敵軍才不修築營壘，反而請求割地求和。我假意答應他們，就是為了順從他們的心意，讓他們放鬆警惕，不再防備。而我們則積蓄士兵的力量，一旦發起攻擊，就如同迅雷不及掩耳，用兵的變化，本就不是一成不變的。”

起初，每有一支敵軍前來集結，曹操就面露喜色。敵軍被打敗後，諸將詢問其中的緣由。曹操回答說：“關中地區地域遼闊，如果敵軍各自憑藉險阻據守，我們征討他們，沒有一兩年的時間根本無法平定。如今他們都聚集到了一起，雖然人數眾多，但內部並不團結，沒有一個統一的主帥，我們一舉就能將他們消滅，相比之下，這樣反而更容易建功，所以我才高興。”

建安十六年冬十月，曹操率軍從長安出發，向北征討楊秋，將其圍困在安定。楊秋見曹操大軍壓境，自知無力抵抗，便選擇投降。曹操為了安撫楊秋及其部眾，恢復了他的爵位，讓他留下來安撫當地百姓。（《魏略》記載，楊秋在黃初年間升遷為討寇將軍，被授予特進的職位，封臨涇侯，最終得以善終。）十二月，曹操從安定班師回朝，留下夏侯淵屯守長安。

建安十七年春正月，曹操回到鄴城。天子為了表彰曹操的功績，特命他朝拜時贊禮官不直呼其名，入朝時不必小步快走，可以佩劍穿鞋上殿，待遇如同當年的蕭何一樣。馬超的殘餘勢力梁興等人屯駐在藍田，曹操派夏侯淵前去攻打，成功將其平定。為了擴充魏郡的勢力範圍，曹操割取了河內郡的蕩陰、朝歌、林慮，東郡的衛國、頓丘、東武陽、發乾，鉅鹿郡的癭陶、曲周、南和，廣平郡的任城，趙國的襄國、邯鄲、易陽等地，併入魏郡。

建安十七年冬十月，曹操再次出征，討伐孫權。

建安十八年春正月，曹操大軍進軍濡須口，一舉攻破孫權在江西的營寨，俘獲了孫權的都督公孫陽，隨後率軍返回。此時，天子下詔合併十四州，恢復為九州。夏四月，曹操回到鄴城。