曹操失掉了北山军粮，顿时感到危机四伏，崩溃在即，脸上愁云密布，心中沉痛凄凉。他知道目前全军各菅只剩先期领发的少量军粮，难以持久，而汉中官仓余粮早已调拔一空，而且汉中道路崎岖艰险，运粮极其困难，等不到粮草运到，全军就会断粮分崩。因此曹操不能坐以待毙，准备速战速决，改观战局扭转困境。于是他整兵再战，命令徐晃为先锋，牙门将军王平为副将，向刘备发动进攻，主要任务就是抢夺军粮，维持局面。徐晃、王平率军来到汉水。
徐晃，字公明，河东杨县人。曾在郡中担任官吏，因为跟随车骑将军杨奉讨伐贼兵，立了功劳，升为骑督尉。当李傕、郭氾在长安作乱，徐晃向杨奉请命护送天子回洛阳，天子因此顺利渡河，到了安邑，封徐晃为都亭侯。到达洛阳以后，徐晃看见韩暹每天都在争权夺利，于是又劝杨奉归降曹操，杨奉起初听从，后又反悔，在梁国遭到曹操的讨伐，徐晃乘机归降曹操。曹操让徐晃带兵，派他去攻打卷县，以及原武的贼兵，获得大胜，被封为裨将军。徐晃曾跟着曹操讨伐吕布，降服吕布的大将赵庶、李邹等，并和史涣在河内击杀眭固。建安五年春，徐晃跟随曹操攻打刘备，官渡大战时，攻克白马，进兵延津，因此升为偏将军。他还曾和曹洪一同击败隐彊的贼兵祝臂，又和史涣在故市袭击表绍运补的粮草，功劳最多，于是封为都亭侯。曹操围攻邺城之后，又攻陷邯郸。易阳县令韩范先是假装投降，然后又坚拒防守，徐晃奉命前去攻伐，一到城下，用箭射信城上，向他分析利害得失，韩范诚心归降。徐晃又率兵征讨毛城，事先设计埋伏军队暗中偷袭，夺取三个屯驻区。又跟着曹操到南皮，击败袁谭的军队，讨伐平原郡的叛贼，也获得平定。跟随曹操征伐匈奴之后，官拜横野将军。建安十三年又跟从曹操进攻荆州，另外带兵屯驻樊城，进击中卢、临沮、宜城等地的贼兵。又和满宠在汉津抗击关羽，和曹仁在江陵对周瑜作战。建安十五年，讨伐太原的叛贼，围攻大陵，城破，斩贼兵主帅商曜。韩遂、马超在关右反曹操，徐晃奉令驻军汾阴，安抚河东的百姓。当曹操到达潼关，恐怕附近有伏兵，不能安全过渡，于是召来徐晃，徐晃请令带领精锐部队渡过蒲阪津，先为大军布署阵地，击退乘夜攻打的敌军梁兴，曹操大军顺利过河，击败马超韩遂。又奉命和夏侯渊平定隃麋、汧县一带的氐族胡人，然后和曹操在安定会师。当曹操回到邺城，又派徐晃和夏侯渊平定鄜县和夏阳一带的残敌，杀死梁兴。跟随曹操征讨张鲁以后，又奉令攻打椟县、仇夷等地的氐族，因功迁升为平寇将军。此外，他又解除张顺将军的围困，击败了贼兵陈福等三十多个屯区。曹操回到邺县，留下徐晃和夏侯渊在阳平抵抗刘备。刘备派陈式断绝马鸣阁的通道，马鸣阁是通往汉中的咽喉要道，刘备想要断绝内外的通路，以便取得汉中地方。徐晃分别击败对方，受到曹操的嘉奖。现在曹操在汉中战场全面失利的关口，就调派徐晃来挽回败局。
徐晃计划前军渡水列阵，以求取得背水作战的效果，王平说：“如果命令前军渡水，一旦发生危急，怎么撤退呢？”徐晃说：“昔日韩信背水为阵，所谓致之死地而后生，现在我使用这个战术，发挥将士们作战的积极性，力争一战成功。”王平说：“不然，昔日韩信料到敌人无谋而用此计，如今将军能料黄忠、赵云用兵之意吗？”徐晃说：“你可带领步兵在后，看我带领马军破敌。”他即令军土搭设浮桥，随即渡过汉水，扎下营寨，准备攻打黄忠。
黄忠当即向刘备报告情况，请命带领本部兵马去战曹军。得到刘备同意后，他对赵云说：“现在徐晃恃勇而来，暂时不要迎战，等到日暮兵疲，你我分兵两路，一战可以击破敌军。”赵云听从，自带夲部据守营寨。黄忠守在营门，随时观察曹军的动态。徐晃领兵从辰时挑战，直到申时，不见汉军出动。他令弓弩手走在前面，向汉营射击。黄忠派人将观察情报转告赵云，他说：现在徐晃命令弓弩手临门射箭，我认为他的军队必定即将撤退，我们可以趁势出击。
赵云接到黄忠的分析情报后，即作出战准备，这时夲营探报送到：曹军后队开始退动。赵云立刻从右翼出击。
左边黄忠营寨，鼓声大震，号角齐呜。黄忠挥师出战，从左边进击，和赵云两下夹攻。徐晃支持不住，军土连连后退，被逼进汉水，大半淹没在波滔之中。
徐晃力战逃脱，败回营中，身后人马清晰可数，他又气又急又后悔，竟然指责王平：“我在前线指挥作战，军情万分危急，你怎么坐视不救？”王平说：“我如果带兵去救，营寨必然不保，你夺不来粮食，我再把营中余食丢失，军队就会自动解散，我曾劝公不要轻易出动，公不肯听，以致遭到失败，怎么怪起我来？”徐晃勃然大怒：“你不顾大局，坐观成败，反而对抗主将，眼里还有军法吗？”属下纷纷劝解，徐晃才转身走去。
当夜，王平得到属下密报：“徐晃企图捕斩将军，以推卸兵败责任，赶快想法开脱。”王平说：“曹营不可再留，我们要另谋出路。”他连夜带领本部军马，在营中放火，造成一片大乱的场面，乘势冲进徐晃的营区。徐晃急忙弃营逃走。王平收整军马，渡过汉水来投黄忠。
王平字子均，巴西宕渠人，本来寄养在外公家，姓何，后来恢复本姓。曾随杜濩、朴胡到洛阳担任校尉，跟从曹操征汉中。王平自小从军，在军队里长大，性情沉着稳重，遵守法度，富有谋咯。虽然不识多少文字，时常叫人读《汉书》，精通了书中的重要人物和历史事件，还喜欢评论分析，立志效仿古将，干出一番成绩。
黄忠亲切接待王平，随后他让赵云领着王平去见刘备。刘备给予重用，遂命王平为牙门将军。
黄忠在汉水战役中，审时度势，捕获战机，击败曹魏名将徐晃，收降副将王平，立下显赫战功。在三方军事集团历次战役中，有许多活用兵法，创新战术，从而赢得胜利的优秀战例，同时也不乏照搬照套古人用兵的法则，导致作战失败的反面事例。在曹操和刘备争夺汉中时，徐晃机械地搬弄背水阵来战汉军，就是学古不化的典型战例。徐晃遵奉曹操的命令，和副将王平进至汉水同汉军决战，结果背水列阵遭到失败。韩信背水列阵，一战而胜，徐晃背水列阵却一败涂地。王平劝说徐晃的话道出了部分道理。据史书记载，刘邦令韩信率军攻打敌军。韩信出奇兵袭取了魏都之后，由于荥阳战事紧迫，刘邦抽走了一部分精锐兵力，韩信只得率数万兵力会同张耳进击赵国。当时赵军号称二十万，双方力量十分悬殊，谋士李左车曾向赵军主将陈余建议，利用深沟高垒，坚守不战，拖住汉军，由他带精兵三万，抄小路截击韩信的粮草辎重，尔后再与赵军主力前后夹击敌人。这个方案若能实施，那一定会出现不利于韩信的结局。但是陈余不用其计，依仗着自己的优势兵力，坚持要在井陉口与汉军作战。韩信探知这一消息，十分高兴，立即率军前进，先以少数兵力将赵军引出营寨，然后将主力背水列阵和敌军作战。与此同时，他又派出两千精锐骑兵迂回敌后，抄袭赵军的大营，结果大获全胜。分析比较这两个背水列阵，就可以清楚地看到一胜一败的原因了。韩信背水列阵所以胜利，是有许多条件的。例如陈余不听李左车的计谋，韩信抓住了这一有利的时机迅速进兵，在作战中韩信使用了奇正相生的战法，即在背水列阵的同时，派出骑兵袭击赵营，这都是取胜的重要原因。而徐晃却不问敌情，不用奇正相辅，不顾客观条件，只是机械地模仿韩信的背水战法。这样他兵败汉水便是顺理成章的事情了。这里还值得提出的是，应该如何理解致之死地而后生的观点，《孙子兵法》九地篇中讲：投之亡地然后存，陷之死地然后生。这一思想主要体现了孙子以患为利的用兵策略。所谓亡地死地，按照孙子的解释是疾战则存，不疾战则亡者。陷之死地乃是大患，然而陷之死地却能因疾战者存，不疾战者亡的客观形势，唤起万众一心，将土奋力死战，从而转败为胜转死为生转患为利。在这里能否实现矛盾转化的根本因素，就是军队所置之地，所布之势能否激发将士万众一心，同敌军决一死战的斗志和气概。刘邦从韩信军中抽走一部精锐兵力后，韩信率孤军深入赵地，大多数士兵都是新招募来的，没有受过严格训练，如同驱市人而战之。就像赶着集市上的人群去作战一样，在这种情况下，韩信断然背水列阵，使部队失去了以退求生的希望，结果必然拼死战斗，人自为战。而徐晃所率部队的士卒，主要都是些老兵油子，他们虽然背水列阵，但河上却架有浮桥，背后还有曹操的大军压阵，部队仍有求生之路。这样他们自然是打得赢就走，打不赢就跑，虽被致之死地，也不能激起求生的奋战精神。另外从时间上看，韩信与赵军的开战是在拂晓，正是朝气锐的时候，这是同敌决战，致之死地的士兵，精神更加旺盛。而徐晃背水列阵，对方坚守不出，部队从早晨拖到黄昏，兵疲气衰，已处于暮气归的时刻。在这种情况下，徐晃不但没有转患为利，振奋起士卒的杀敌士气，反而酿成了大害。这一教训值得引起军事指挥员们的深思，不能照搬照套兵法原则和历史经验来指导战争。从这一方面来看，显出了黄忠出色多彩的指挥水平，他敏锐地发现了曹将徐晃用兵的缺点，制定出避其锐气击其疲归的作战方案，取得巨大的胜利。谋士法正在汉中大战以前就曾对刘备评论说：曹操镇守汉中的将领，综合才干都不是我方将帅的对手。这句话表明了法正的先见之明，也充分肯定了北征主将黄忠的良将之才。
夏季五月，曹操因为徐晃没有夺回一斤粮米，反而损兵折将所剩无几，急得亲率大军来夺汉水营寨。
刘备率领中军来到前线，调集张飞、马超、魏延、刘封各部人马，并亲渡汉水，背水结营，和曹操会于中路五界山前。黄忠率部从左边出击，赵云从右边出击。击败曹撩侧翼的部队，配合刘备进兵南郑。黄忠独当一面，率部攻占褒中。在刘备全线进攻曹操的时候，他奉命从褒中追击曹军。曹操在刘备大军的进攻下，退守斜谷界口，人马伤亡十余万，再也没有力量抵挡了，只得放弃汉中，领着残兵败将重头丧气地离开战场。
刘备收复汉中，实现占领巴蜀开拓汉中北伐路线的战略计划。刘备在进入汉中的同时，趁曹操全线败退的机会，派马超占领了凉州的武都郡。刘备为了打通汉中和荆州的通道，命令在荆州的宜都太守孟达率领本部人马，向西北方向进攻房陵上庸，西城等地。又派刘封从汉中沿汉水东下，与孟达会师上庸，并担任主帅，收取房陵、上庸、西城等地。刘备经过三十多年的奔波奋战，终于走上了一生事业的最高峰。
黄忠在攻克汉中的战役中，败张郃、斩韩浩，生擒夏侯尚，击斩夏侯渊，屡建奇功。尤其是定军山一战，攻敌陷阵，如风驰电挚，万马军中直取上将首级，威壮如同关羽白马战役斩颜良，使他声威远震。在三方征战时代，给人们留下了深刻印象，奠定了他封侯拜将的基础。
以诸葛亮为首的文武官员一百二十余人上书推举刘备为汉中王，黄忠积极响应，在书上签名。这份奏章又送到许都上呈朝迋，至六月获得汉献帝的批准。