自曹操取得汉中后，蜀汉对汉中实行战略上的防御，由张飞驻守巴西抵御夏侯渊和张郃的南侵，并把重心放在稳固政权和内修政理上面。刘备常驻汉中，法正为谋主跟随刘备，诸葛亮为股肱镇守益州。在诸葛亮强有力的治理下，用了三年时间，益州刘氏政权稳固，政治清明，国库充盈，足食足兵，因此反攻汉中的时机到了，对汉中改战略防御为战略进攻。
汉中之战大致分两个阶段：第一阶段，刘备欲截断汉中外围，于是遣吴兰和雷铜入武都屯下辩，魏将曹洪抵御吴兰，张飞屯固山，准备截断曹洪后路，曹休知道张飞想截断曹洪，于是伏兵潜行，然后大张声势，张飞和马超以为有大量伏兵退走，吴兰被曹洪攻破斩首。刘备还遣陈式等十馀营绝马鸣阁道，被徐晃攻破，蜀军自投山谷死者众多。刘备自己率军驻阳平关之南，夏侯渊和张郃拒刘备，双方的阵容及军队的素质相当，总体上均势，所以呈进退交战的胶着状态。交战中矢下如雨，有次蜀势不利，必须退却，刘备大怒不肯退，没人敢劝谏，只有法正走到刘备前面去挡箭，于是刘备才肯退走。蜀魏就这样交战了几个月，均未有突破。
明年正月，刘备准备大举反攻，急书诸葛亮发兵增援。诸葛亮是汉中之战的大后方，负责兵力和粮食的供给。官渡之战时，夏侯渊负责督粮。东吴入侵荆南三郡时，孙权督粮在后。诸葛亮以发兵这事，考察杨洪的见识，杨洪认为汉中是蜀的咽喉，无汉中则无蜀，发兵无疑。当时蜀郡太守法正常常跟随刘备驻北，于是诸葛亮表杨洪为蜀郡太守，行法正之职。杨洪不负诸葛亮所望，在刘备东征失败时，诸葛亮去了白帝城，益州空虚，汉嘉太守黄元举郡反叛，大家都认为黄元不围成都则会下南中，只有杨洪认为会到南安，于是派兵拦截，生擒黄元。
第二阶段的作战，当时魏营的布局是张郃护东围，夏侯渊护南围。刘备遣上万精锐并分为十部，潜行越过南围，夜袭急攻张郃的东围，张郃率兵亲自搏战，南围夏侯渊分半兵助张郃。这时蜀军烧围，夏侯渊率兵前去搭救，法正下令“可击矣！”蜀军从半道杀出，以黄忠为前锋，击鼓震天，一举击破魏军，斩了夏侯渊。这场快速的会战出自法正的计谋，蜀汉分兵进攻魏军，用了奇正之法，攻张郃为正兵，攻夏侯渊为奇兵。曹操得知夏侯渊被斩很伤心，以前常劝夏侯渊不能逞强，该退则退。所以夏侯渊就败于不能随形料势而不知进退。“渊虽为都督，刘备惮郃而易渊。”如果把夏侯渊换上张郃，张郃也许不会冒进。都督被斩，魏军非常恐慌，这时郭淮推举张郃接夏侯渊之位，魏军才稳定下来。
张郃集体撤军，刘备率军追击，蜀军多而魏军少，郭淮认为正面交战难敌，不如远水为阵，引刘备渡水，待刘备渡水一半后再出击，这样就有胜算，结果刘备迟疑没有渡河，这是兵法的“客绝水而来，勿迎之于水内，令半渡而击之利。”曹操率兵与张郃汇合，刘备依险据守，曹操没有办法，于是就有“鸡肋”的故事。
其实魏国失去汉中，不是因为魏军的素质不行，他们参战的阵容强大，如夏侯渊、张郃、徐晃、曹洪、曹休及州郡边将郭淮和张既等等，他们的智谋和作战能力都很优秀，除了从攻过官渡之外，分别独自平定过关中、河西、陇西和西凉等各大小势力。根本原因是后方支持力所不能及，益州离汉中近，益州有地利之便，支援快捷便利，战争瞬息万变，魏国却要翻过秦川才能到达，当然蜀要入关中也必须翻过秦川。另外刘晔说过，“若小缓之，诸葛亮明於治而为相，关羽、张飞勇冠三军而为将，蜀民既定，据险守要，则不可犯矣。今不取，必为后忧。”刘备的豪华阵容不是张鲁之流可以比，魏军难守汉中，所以失去汉中是在曹操预料之中，才会防患于未然，在事前迁走汉中民到天水和扶风等地。
曹操五月撤出汉中到达长安，刘备取得汉中后，即命孟达从荆州秭归北攻房陵，攻克房陵太守蒯祺；刘备担心孟达独自难当，又命刘封从汉中自沔水而下攻破上庸申耽及西城申仪，与孟达汇合。贯穿荆、益两州的汉水通道被蜀汉占领，隆中对北伐的三个战略要地已经占领了两个，还剩下荆州的襄樊。就在孟达和刘封攻下新城的同时，关羽七月也发起了对襄樊的战争。
关羽派兵多重包围了樊城曹仁和襄阳吕常。曹仁使庞德屯樊北十里，在樊城外围与关羽交战，庞德作战勇猛，关羽呼他为白马将军。曹操遣于禁增援曹仁，这时天下了十日大雨，汉水暴涨，于禁、庞德与诸将避水上堤。关羽乘大船攻击，从四面向堤射箭，于禁投降，庞德被先擒后斩。北方有反叛魏国的势力响应关羽，关羽遣别将在郏下（接近宛城）策应，使得魏自许昌以南的地方都人心慌慌，因此威震华夏。曹操觉得许昌受到威胁，想迁都避开，经司马懿分解而止。樊城被关羽内外断绝，城内粮食渐缺，又不见援兵，樊城进了水，到处崩坏，众皆失色。在关羽的急攻之下，曹魏诸将认为此城危机已非人力可以挽回，不如乘关羽围攻未合之前，在夜晚乘船出逃。满宠认为，关羽在郏下的蜀兵之所以止而不前，就是怕被截断后路，如果我们放弃襄樊，襄樊将不复有，另外汉水速急，很快就会退去，应该坚守襄樊。曹仁赞同，于是激励将士，示以必死，盟誓保卫樊城。
关羽的后方，麋芳和傅士仁没有按照关羽的要求提供军资，关羽发怒表示要回去治办他们，麋芳和傅士仁心理很不安。另外，先前孙权遣使者想和关羽结姻亲关系被关羽大骂，大伤孙权的面子，孙权知道关羽轻视自己。
吕蒙分析说，关羽骁雄居上流，有兼并东吴之势。徐州那边易攻难守，不如趁关羽现在不能东顾，放弃取徐州改取关羽，然后据全部长江之险，东吴之势大涨，就不需要结关羽御曹。孙权认为很有道理，于是遣吕蒙结好关羽。关羽虽然北伐襄樊，但留足够的后备军防御吕蒙，吕蒙只好假装生病，由新人陆逊接替。
陆逊书信关羽加倍讨好关羽，关羽放松警惕，调走防御东吴的兵力。这时关羽擒了于禁，收降魏兵数万人马，正好缺粮，吕蒙假装成商人运粮船队潜行到南郡，傅士仁和江陵麋芳都相继开城投降。陆逊继吕蒙之尾占领其它地方，一切都进行得非常秘密，关羽全然不知。襄樊前线，曹操遣徐晃助曹仁。关羽的兵马围曹仁多日渐渐疲惫，而徐晃是新兵刚到，战斗力旺盛。曹操还遣了将军徐商、吕建等资助徐晃，并下令必须等到兵马全部集结到位，才共同前进。关羽多重围襄阳和樊城很有章法，事后曹操比喻过于莒、即墨。徐晃先用虚实之法取得关羽外围的两面，离关羽的围稍进，但还没有进攻。
曹操又遣殷署、朱盖等凡十二营资助徐晃。其实在曹操不断地向襄樊集结重兵之前，关羽已经连呼孟达和刘封相援，但是孟达和刘封却以新城刚附为由拒绝调兵，致使关羽孤军奋战。徐晃采取“声东击西”及“纵深攻击”攻破关羽的重围，关羽率五千骑兵出战退还江陵，但是江陵已被孙权占领，关羽陷入了进不能克，退无所据的绝境，最后身首异处。
孟达和刘封率兵为关羽打援是刻不容缓的，保住了荆州，新城就能保住，失去了荆州，新城就失去了意义。况且当时刘备已屯兵在汉中，随时可以率兵到新城坐镇，孟达和刘封两人缺乏见识而且不能以大局为重，两人之间闹矛盾，把战略要地交给他们，可以说是用人失误。
襄樊之战如果能统筹好后方和前线的话，关羽借助汉水暴溢攻破坚城将是个经典的“围城打援”战例。关羽为什么选择这个时侯进攻襄樊，如果受刘备指示，那么新城是不可能坐视不理，显然是关羽见机自发，那么机遇在哪呢？魏国在上年发生了三次叛乱，但是曹仁已经平定并返回樊城，樊城并不空虚，有防备的攻坚战向来很难攻克。所以，应该是关羽预见了将有暴雨而汉水溢的有利条件，否则关羽是不可能在很短时间内集结大量的船只围攻襄樊，而魏军方面却是无备仓促应战。另外，麋芳、傅士仁和孟达都是荆州治下的太守，集体不承关羽命令。所以关羽把内部关系搞得紧张是失败的根源。
关羽败亡，孟达知道事情严重，害怕被定罪，于是上表辞行率众降魏，并协同夏侯尚和徐晃攻击刘封，刘封败走回成都。刘备责其不救关羽又侵陵孟达，但是刘封是刘备的义子，多年的父子之情，刘备不忍定刘封罪，经诸葛亮劝说才被赐死。刘备仇恨孙权袭击关羽，蜀汉经过两年的休养生息，刘备决心东征为关羽报仇，群臣劝解不成，于是发动了夷陵之战。
孙权先是向刘备请和，刘备不许。于是孙权结好曹魏，向曹魏称藩和进贡，缓解了曹魏的军事压力。东吴立即做好防御部署，以陆逊为大都督，统朱然、潘璋、宋谦、韩当、徐盛和孙桓等将，分别屯巫峡、秭归和夷陵。蜀军水陆并进，吴班和冯习从水路进军，攻破了巫峡吴将李异，然后到了秭归，走陆路的刘备同时也挺进秭归与吴班汇合，蜀军正式进入吴境的军事防御区。
军队在秭归集结后，刘备部署了进攻方案，黄权督诸军驻江北防御曹魏袭击；吴班和陈式作为先遣部队从水路抵达夷陵前线，刘备率主力（大都督冯习，前部督张南，别督辅匡、赵融、廖淳、傅肜等）从秭归东行，与先遣队进行东西夹击。刘备舍水路沿山路行军，到了夷道猇亭驻营，因为地理环境很差只能缘山驻营。水军吴班和陈式抵达夷陵后，率数千人登陆立营，向东吴挑战。
东吴诸将欲迎击，陆逊认为，蜀军锐气正盛，又乘高守险，此时不是我方出击的时侯；刘备缘山行军，势不能展开，这是他的弊端，应再观其变。刘备见吴军不来攻，知道计谋不成，引出藏在山谷中的八千伏兵。其实刘备想用五千兵作诱饵，吸引吴军来攻，然后伏兵杀出包抄。刘备出军数月，全军驻营五六百余里，每营选择要塞以固守。陆逊经过长期观察，然后试攻了刘备一个营，战不利，确定了刘备固守山营不会有变化，于是想到了破敌之计。六月，天气干燥，黄气从秭归弥漫十余里。到了夜晚，陆逊命将士手持火把，从水路潜行，先用火攻拔营，然后蜀军慌乱，吴军一鼓作气杀出，结果蜀军大溃败，舟船器械、水步军资都被吴军略尽，只有刘备连夜逃回白帝城。驻江北的黄权被吴军的水路截断，没有道路可还，只好率军降曹。
夷陵之战，作为进攻方刘备行千里路讨伐东吴，防御方东吴占有地利之便。从战略上来说，速战对蜀军有利，持久战对蜀军不利。所以陆逊先避蜀军的锋芒，待蜀军兵疲气衰的时侯再出击。
刘备因为地形原因驻营五六百余里，前方交战，后方不能援前方，数万的兵势就不能发挥作用。蜀军每营固守要地，刘备自认为攻守具备，把这作为会战之地，但是刘备只知其一，不知其二，那就是侧翼安全。刘备舍弃水路，就给东吴留了条便捷的通道，水路具有运输量大而又不费力的优点，正好可以运输大量兵力和军资。另外战争过程中的野营属于备战状态，必须在足够距离的方圆内安排警戒线，作为主力部队的眼睛，确保主力部队的安全或为主力部队争取备战的时间，很显然刘备完全没有戒备，所以让陆逊在夜晚偷袭成功，并借助火攻以逸兵击败刘备的疲兵。
如果刘备没有让出水路，前面说过水路和陆路之间可以互为侧翼，即可以各自为战，也可以相互支援，吴军就不可能进行纵深攻击。另外黄权还提议过，让他作为前锋部队，刘备做后备部队，这样的优点是，如果前锋水路或陆路的哪个部督作战不利，后备部队可以随时支援，这样数万军队的力量就能达到很好的施展。
刘备遭受如此大败，诸葛亮叹法正：“法孝直若在，则能制主上，令不东行；就复东行，必不倾危矣。”心境如同曹操赤壁大败后哭郭嘉。诸葛亮并不赞同刘备伐吴，蜀汉上下包括赵云都力谏过，但刘备仍执意要为关羽报仇。为什么诸葛亮不同意刘备伐吴，其实法正也不会同意。原因很简单，与吴交战，益州到荆州战线很长，蜀汉短时间内不可能攻克东吴，即使刘备不败，就战略要地夷陵和江陵也够蜀汉打上很长时间，然后还要平定荆南四郡，平定四郡后，还有更重要的战略要地襄樊必须占领，同时东吴也会不断反攻蜀汉，吴蜀双方的力量都削弱，到时就更没有力量对付曹魏了。所以积蓄力量早图关中对蜀汉来说更能得利，同时也更为捷径，而且魏灭则吴服。