赤壁战后，曹操看到孙权和刘备手下都有些出类拔萃的文武人才，他们如果继续合作下去，吞并南方殊非易事，故北归以后，分别写信给孙权、刘备，试图拆散其联盟；并密遣蒋干以私人名义往说周瑜，劝瑜背离孙权，归附自己。这两事均未取得成功。与此同时，曹操对因作战或遇疫死亡的吏士家室进行抚恤。还在谯“作轻舟，治水军”，并以合肥作为对吴战争的军事重镇，重新部署扬州郡县长吏，开芍陂（今安徽寿县南，周百二十余里）屯田，以储军粮。
　　赤壁战前，操所以不能从容在荆州作好战斗准备，以致匆匆东下，迅遭败北，诚如周瑜所分析：“马超、韩遂尚在关西，为操后患”。这是操战败的原因之一。所以建安十六年（211年）春，操即着手解决关西问题，以解除西顾之忧。
　　关西的武装力量，最强的是马超和韩遂。马超是马腾的长子，操在进攻荆州之前，已将马腾征召入朝，任为卫尉。腾留在关西的军队由马超统率。关西地区除了马超和韩遂以外，还有不少武装力量，其将帅虽无大作为，但人马尚称精悍，且陇右地形险塞，疆域辽阔，平定亦非易事。操西征的借口是讨伐汉中的张鲁。三月，操先令司隶校尉钟繇进兵关中，然后使征西护军夏侯渊出河东，与繇会师。
　　关陇诸将知道操进军矛头是指向他们，于是马超、韩遂、侯选、程银、杨秋、李堪、张横、梁兴、成宜、马玩等十部一齐反叛，共十万人，屯据潼关。操遣安西将军曹仁督诸将拒之。诫以关西兵精悍，且坚壁自守，不与交锋。至秋七月，操留长子丕守邺，自率大军西征，议者多言：“关西兵习长矛，非精选前锋，不可当也”。操曰：“战在我，非在贼也。贼虽习长矛，将使不得以刺，诸君但观之。”
　　八月，操至潼关（今陕西省潼关县东南），与超等夹关对峙。操故意做出将与超等全力拚搏的模样，而潜遣徐晃、朱灵以步骑四千人，从河东渡过蒲坂津（今山西永济县西黄河渡口）到河西扎营。闰八月，操大军自潼关北渡黄河，兵士先渡，操自与虎士百余人留南岸断后。马超将步骑万余人来攻，矢下如雨，操犹坐胡床不动。许褚扶操上船，船工中流矢死，许褚左手举马鞍蔽操，右手刺船。校尉丁斐为转移敌兵攻击目标，乃放牛马以饵敌，敌乱取牛马，操始得渡。操自蒲坂再波河到河西，沿河向南筑了一条甬道，绕到潼关背后。超等后方受到威胁，退守渭口（今陕西华阴县东北）。
　　操又多设疑兵以迷惑敌人，暗地在渭水上架一浮桥，渡兵扎营于南岸，而设伏于营旁。超等夜袭营，被伏兵击破。超等见渭水南岸已被操兵突入，遣使请和，表示愿割河以西之地，操不许。九月，操军全部渡过渭水，超等数挑战，又不许。超等又请割地，并送任子。操用贾诩策，伪许之，而施离间之计。
　　韩遂请与操阵前叙谈，操与遂父同岁孝廉，又与遂少共交游，于是二人交马而语，不谈军事，只叙京都旧故，拊手欢笑。是时超，遂军各族士兵观看操者，前后重沓。操笑谓之曰：“汝欲观曹公邪？亦犹人也，非有四目两口，但多智耳！”
　　超等见遂、操谈话时间很长，状甚亲切，会毕，超等问遂谈话内容，遂曰：“无所言也。”超、遂本来就多摩擦，这时超对遂更疑团重重。他日，操与遂书，多加点窜，好像是遂自己改过的，超等看见，更加狐疑，因此对抗操便谈不上精诚合作、同仇敌忾了。
　　操作了以上动作之后，乃与超等约期会战。操先以轻兵挑战，等敌人力量消耗殆尽时，乃纵虎骑夹击，超等大败，临阵斩成宜、李堪等。遂、超奔凉州，杨秋奔安定（郡治临泾县，故城在今甘肃镇原县东南）。
　　操既得胜，诸将问操：“初贼守潼关，渭北道缺，不从河东击冯翊，而反守潼关，引日而后北渡，何也？”操曰：“贼守潼关，若吾入河东，贼必引守诸津，则西河未可渡，吾故盛兵向潼关；贼悉众南守，西河之备虚，故二将得擅取西河；然后引军北渡，贼不能与吾争西河者，以二将之军也。连车树栅，为甬道而南，既为不可胜，且以示弱。渡渭为坚垒，虏至不出，所以骄之也；故敌不为营垒而求割地。吾顺言许之，所以从其意，使自安而不为备，因畜士卒之力，一旦击之，所谓疾雷不及掩耳。兵之变化，固非一道也。”
　　战争开始时，操闻关西每一支敌军开到，都面露喜色。敌破之后，诸将问其故。操答曰：“关中长远，若贼各依险阻，征之，不一二年不可定也。今皆来集，其众虽多，莫相归服，军无适主，一举可灭，为功差易，吾是以喜。”由此可知，关西之兵虽号称精强，但团结不牢固，指挥不统一，是其致败弱点。
　　冬十月，操又自长安讨杨秋，围安定，秋不战而降，操使秋留守原地，官爵如故。
　　这时，冀州河间郡（治乐成，在今河北献县东南）民田银、苏伯趁曹操西征之际，聚众起义，被曹丕自邺遣将镇压下去。这次起义规模虽不大，但发生在曹魏统治中心地区，所以曹操便不能不自安定撤兵东归，而留下其亲信将领夏侯渊屯驻长安。
　　操东归前，参凉州军事杨阜对操曰：“马超有英布之勇，甚得羌胡心；若大军还，不设备，陇上诸郡非国家之有也。”后马超果率羌胡击陇上诸郡县，郡县皆应之，唯为凉州刺史及汉阳郡太守治所的冀县城（在今甘肃甘谷县东南）固守。马超率诸戎渠帅万余人攻城，自建安十八年（213年）正月至八月，救兵不至，州遣别驾阎温循水潜出求救，为超所杀，刺史韦康为人素仁，不愿看到士民伤亡过多，欲与超媾和。参凉州军事杨阜、赵昂等苦口谏阻，康不听，终于开城门迎超。超既入，背约杀韦康及太守。杨阜等州吏及士大夫内有报超之志，时阜姑子抚夷将军姜叙屯历城（今甘肃礼县东南），杨阜借口丧妻请假得出，遂直奔叙家，见叙及姑，号陶大哭。叙曰：“何以如是”。阜即告以马超杀害刺史韦康事，而请叙与己并力讨超。叙未及答，叙母即慷慨谓叙曰：“韦使君遇难，实一州之耻，亦汝之负，汝无顾我，但当速发，我决不以余年累汝也”。于是叙与阜定计，使人至冀，结赵昂、梁宽、赵衢等为内应。九月，阜、叙进兵入卤城，马超闻知，大怒，赵衢因谲说超，使自出击叙、阜。超出而赵衢、梁宽等闭冀城门，尽杀超妻子。超进退失据，乃袭破历城，执叙母。叙母骂超，被杀。阜与超战，身被五创，昆弟宗族死者七人。超败奔汉中，投张鲁。