建安十六年春正月，（《魏书》记载：庚辰日，天子回复曹操，减少其封户五千，将曹操所让出的三县一万五千户封给曹操的三个儿子，曹植被封为平原侯，曹据被封为范阳侯，曹豹被封为饶阳侯，每人食邑各五千户。）天子任命曹操的世子曹丕为五官中郎将，并为其设置属官，使其成为丞相的副手。此时，太原的商曜等人占据大陵发动叛乱，曹操派遣夏侯渊、徐晃前去围剿，成功将其击败。
张鲁占据汉中，三月，曹操派钟繇前去讨伐。为了配合钟繇的行动，曹操命令夏侯渊等人从河东出发，与钟繇会师。
当时，关中的诸位将领怀疑钟繇表面上讨伐张鲁，实则是想趁机袭击自己，马超便联合韩遂、杨秋、李堪、成宜等人起兵反叛。曹操得知后，派遣曹仁前去征讨。马超等人屯兵潼关，曹操告诫诸将：“关西的士兵精锐强悍，你们要坚守营垒，切勿与他们轻易交战。”
秋七月，曹操亲自西征。（《魏书》记载，很多人进言说：“关西兵强马壮，擅长使用长矛，若不精选前锋，根本无法抵挡。”曹操却对诸将说：“战争的主动权在我们手中，而非敌人。敌人虽擅长使用长矛，我却能让他们无法施展，你们就等着瞧吧。”）曹操率领大军抵达潼关后，与马超等人的军队隔着潼关对峙。曹操一方面与马超军僵持不下，另一方面暗中派遣徐晃、朱灵等人趁夜渡过蒲阪津，在黄河西岸安营扎寨。之后，曹操准备从潼关北渡黄河，就在军队还未完全渡河时，马超迅速率军赶到，向曹操的船只发起猛攻。千钧一发之际，校尉丁斐放出牛马引诱敌军，敌军见了纷纷争抢牛马，一时间阵脚大乱，曹操这才得以顺利渡河。（《曹瞒传》记载，曹操正要过河，前队刚渡过去，马超等人突然杀到，曹操却还坐在胡床上镇定自若。张合等将领见情况危急，一起将曹操拉进船中。黄河水流湍急，等到船靠岸时，已经被冲出四五里远。马超的骑兵在后面紧追不舍，万箭齐发，如雨般射向曹操的船只。诸将见军队战败，又不知曹操的下落，个个惶恐不安。直到看到曹操安然无恙，众人这才又悲又喜，有的人甚至激动得流下眼泪。曹操却大笑道：“今日差点被这些小贼困住了！” ）曹操渡河后，沿着黄河修筑甬道，向南进军。马超等人见曹操渡河成功，便退兵到渭口进行抵抗。曹操见状，故意多设疑兵，迷惑敌军，同时暗中用船运载士兵进入渭水，搭建浮桥。到了夜晚，曹操又分兵在渭水南岸扎营。马超等人得知后，趁夜袭击曹营，却被曹操预先设下的伏兵打得大败而逃。
马超等人无奈，只能屯兵渭水南岸，派使者向曹操请求割让黄河以西的土地，以此求和，曹操果断拒绝。九月，曹操大军准备渡过渭水。（《曹瞒传》记载，当时曹操的军队每次渡河，都会遭到马超骑兵的冲击，营寨无法建立，而且当地沙地较多，难以筑垒。娄子伯向曹操献策说：“如今天寒地冻，可以用沙子筑城，再用水浇灌，一夜之间就能建成。”曹操采纳了他的建议，派人用许多缣囊运水，趁夜运兵筑城。等到天亮时，沙城已经建成，曹操的军队这才得以全部渡过渭水。有人对九月的水是否会结冰表示怀疑。臣松之依据《魏书》考证：曹操的军队八月抵达潼关，闰月北渡黄河，可知当年是闰八月，到了九月，天气寒冷到能结冰也是有可能的。）马超等人多次向曹操挑战，曹操都不予理会。马超等人又坚决请求割地求和，并愿意送儿子为人质，曹操采用贾诩的计策，假意答应了他们。
韩遂请求与曹操见面，曹操与韩遂的父亲是同一年被举为孝廉，他和韩遂也是同辈人。二人见面后，骑着马交谈了很长时间，却只聊京都的旧人旧事，从不谈及军事，还不时拍手欢笑。会面结束后，马超等人问韩遂：“曹操和你说了什么？”韩遂回答：“没说什么。”马超等人心中顿时起了疑心。（《魏书》记载，曹操后来又与韩遂等人会面交谈，诸将提醒曹操：“您与敌人交谈，不应如此大意，最好设置木行马作为防备。”曹操觉得有道理，便采纳了这个建议。敌军将领见到曹操后，都在马上行礼。前来围观的秦地、胡地百姓层层叠叠，曹操笑着对他们说：“你们想看看曹公吗？我也和普通人一样，并非有四只眼睛、两张嘴巴，只是智谋多一些罢了！”胡人纷纷前来围观。曹操又排列五千铁骑，组成十重军阵，盔甲在阳光下闪耀着光芒，敌军见状，更加震惊和畏惧。）
过了几天，曹操又给韩遂写了一封信，在信中故意多处涂改，就像是韩遂改过的一样，马超等人见状，对韩遂更加怀疑。见时机成熟，曹操便与马超等人约定日期进行会战。战斗开始后，曹操先派轻装部队挑战，与敌军激战良久，随后出动精锐的虎骑进行夹击。这一战，曹操大获全胜，斩杀了成宜、李堪等人。马超、韩遂等人战败后逃往凉州，杨秋则逃奔安定，至此，关中地区被曹操平定。
战后，诸将心中疑惑，有人问曹操：“起初，敌军据守潼关，渭北道路空虚，您为什么不直接从河东攻打冯翊，反而在潼关与敌军僵持，过了很久才北渡黄河呢？”曹操解释道：“敌军据守潼关，如果我军进入河东，敌军必然会分兵把守各个渡口，那么西河就难以渡过了。所以我故意用重兵逼近潼关，敌军果然调集全部兵力在南面防守，西河的防备因此空虚，徐晃、朱灵二位将军才能顺利占据西河。之后我军再北渡黄河，敌军无法与我们争夺西河，就是因为有二位将军在西河的军队。我们用车辆连接起来，树立栅栏，修筑甬道向南进军，（臣松之考证：汉高祖二年，与楚军在荥阳京、索之间交战，修筑甬道连接黄河，以便获取敖仓的粮食。应劭解释说：“修筑垣墙就像街巷一样，是为了防止敌人劫掠辎重。”如今魏武帝曹操没有修筑垣墙，只是用车辆连接、树立栅栏来抵御敌人。）这样既能保证自身立于不败之地，又能向敌军示弱。渡过渭水后，我们修筑坚固的营垒，敌军来攻也不出战，就是为了让他们骄傲轻敌，所以敌军才不修筑营垒，反而请求割地求和。我假意答应他们，就是为了顺从他们的心意，让他们放松警惕，不再防备。而我们则积蓄士兵的力量，一旦发起攻击，就如同迅雷不及掩耳，用兵的变化，本就不是一成不变的。”
起初，每有一支敌军前来集结，曹操就面露喜色。敌军被打败后，诸将询问其中的缘由。曹操回答说：“关中地区地域辽阔，如果敌军各自凭借险阻据守，我们征讨他们，没有一两年的时间根本无法平定。如今他们都聚集到了一起，虽然人数众多，但内部并不团结，没有一个统一的主帅，我们一举就能将他们消灭，相比之下，这样反而更容易建功，所以我才高兴。”
建安十六年冬十月，曹操率军从长安出发，向北征讨杨秋，将其围困在安定。杨秋见曹操大军压境，自知无力抵抗，便选择投降。曹操为了安抚杨秋及其部众，恢复了他的爵位，让他留下来安抚当地百姓。（《魏略》记载，杨秋在黄初年间升迁为讨寇将军，被授予特进的职位，封临泾侯，最终得以善终。）十二月，曹操从安定班师回朝，留下夏侯渊屯守长安。
建安十七年春正月，曹操回到邺城。天子为了表彰曹操的功绩，特命他朝拜时赞礼官不直呼其名，入朝时不必小步快走，可以佩剑穿鞋上殿，待遇如同当年的萧何一样。马超的残余势力梁兴等人屯驻在蓝田，曹操派夏侯渊前去攻打，成功将其平定。为了扩充魏郡的势力范围，曹操割取了河内郡的荡阴、朝歌、林虑，东郡的卫国、顿丘、东武阳、发干，钜鹿郡的瘿陶、曲周、南和，广平郡的任城，赵国的襄国、邯郸、易阳等地，并入魏郡。
建安十七年冬十月，曹操再次出征，讨伐孙权。
建安十八年春正月，曹操大军进军濡须口，一举攻破孙权在江西的营寨，俘获了孙权的都督公孙阳，随后率军返回。此时，天子下诏合并十四州，恢复为九州。夏四月，曹操回到邺城。