建安二十年(215年),曹操亲领大军征讨汉中。十一月,曹操收降张鲁,任命夏侯渊为行都护将军,让他率领都督张郃、徐晃等众将平定巴郡。次年,曹操返回邺城,升任夏侯渊为征西将军,命令他留守汉中。
建安二十四年(219年),刘备率军越过阳平关和沔(miǎn)水,进驻定军山。夜里,刘备派人放火烧着了夏侯渊大营外的鹿角。夏侯渊与张郃分兵防守营地。刘备先是攻击张郃,在夏侯渊分兵增援张郃时,转而攻击夏侯渊。夏侯渊大败,被老将黄忠斩杀。
曹操深知夏侯渊长于勇猛而短于智谋,经常告诫他要懂得害怕,因为只有懂得害怕,才会小心谨慎和巧于用计。身为主帅,夏侯渊不应该亲自作战,而应该更多地把精力放在纵观全局和巧于用计上面。可惜,性格决定了夏侯渊的命运,他最后竟死于自己的勇猛。
夏侯渊去世的消息传到邺城,曹操非常悲痛,表谥他为“愍侯”,又亲自赶赴前线与刘备争战,还是不能取胜,只好放弃汉中,令张郃驻守陈仓。