建安二十年(215年)，曹操亲率10万大军入关中至陈仓(宝鸡东)，打算自武都(今甘肃武都)穿越氐人居住区。氐人恃险不服，塞道抗据。曹操派遣猛将张合、朱灵为先锋开路。张合锐不可挡。四月，曹操出散关(宝鸡西南)至河池(甘肃徽县西北)，攻屠氐王窦茂及下属万人，收其麦以补军食。七月，曹操大军进抵阳平关。阳平关地处勉县西白马河入汉水处，川、陕交通要冲，形势险要。

在强敌压境的形势下，张鲁自度不能对抗，打算投降。但他的弟弟张卫不甘心束手就擒，便与大将杨昂率数万五斗米道军士横山筑城10余里，死守阳平关。曹军开始进攻不得手，曹操下令假装撤退，乘张卫守备松懈，再密令高祚、解剽等将发动夜袭，突破天险阳平关，击溃五斗米道军主力。张卫潜逃。

张鲁闻讯，准备出降，但属下阎闻建议：“现在兵败危急，如果被迫投降，其功太轻，不如权且退入巴中，依附土著，然后送质子归附曹操，其功必多。”于是张鲁率残部放弃南郑(南郑县东)，逃进南山巴中。临走时，部下要烧毁多年积蓄下来的府库珍宝，但张鲁不许，说：“本来要归顺朝廷，又不便马上投降，现在退走，是为了避其锋锐，并非存有敌意。宝货仓库，是属于国家的。”他下令封藏，谁也不许动。曹操到达南郑，听说此事，非常赞赏张鲁的为人，派人慰抚张鲁，劝他投降。

此时，刘备刚刚袭取成都，代刘璋做了益州牧，但他立足未稳，还无力争夺汉中。黄权献策：“若失汉中，则三巴不振，这等于割掉蜀国的股臂。”刘备便委任黄权为护军，率诸将领前往巴中迎请张鲁入蜀。

张鲁在北降归曹与西结刘备之间权衡了一番，说：“宁为曹公作奴，不为刘备上客。”于是在十一月委质降曹。曹操大喜，极尽礼遇，拜张鲁为镇南将军，封阆中侯，食邑万户，其子5人也都封为列侯。曹操还与张鲁结为儿女亲家，以示宠络。先前反曹兵败投靠张鲁的关中实力派程银、侯选、刘雄鸣诸将，也随张鲁降曹，全都得到曹操重用，官复原职。

此外，在张鲁投降之前，巴郡土著巴夷和贵人首领朴胡、杜濩、任约已归附曹操，分别被委任为太守。

至此，张鲁的独立王国寿终正寝。汉中及巴中全部归曹操控制。曹操恢复汉宁郡为汉中郡，再分汉中的安阳、西城为西城郡，分汉中的锡、上庸为上庸郡，分置太守和都尉。