曹操在长安接到夏候洲战死的报告，当即放声痛哭，集聚文武官员商议发兵救援汉中。长史刘晔说：“汉中是凉州南面的防线，如果失去，中原必然震动，大王需要亲自征讨，保住军事要地。”
春季三月，曹操亲统大军从长安出发，穿越斜谷，派兵驻守险要之地，以使大军顺利抵达汉中。
曹操行至汉水，张郃迎接曹操，到中军大帐落座。张郃向他建议说：“现在定军山已经丢失，营中粮草缺乏，幸喜大王带着辎重来到，危机从此消除。可将粮草屯在北山寨中，再将天荡山的粮草一回移居过来，这样粮草可以供应一年。”曹操听从，即令部众分屯十营，专派一支兵马车队，去搬运粮草。曹操命曹真为征蜀护军，督徐晃去阳平攻打汉军别将高详，争取收复阳平关，切断刘备的后路，曹休、曹洪继续牵制张飞、马超，曹操亲自督领张郃、杜袭、郭淮攻打刘备。
刘备接到曹操来到的情报，满怀信心地说：“曹操即使亲自前来，也发挥不了什么作用，我一定要占领汉川。”于是集合军队占据险要地带进行阻挡，暂时不与曹军交战，避其锐气，待时出击。
黄忠在前线营中，接到部下牙将张著的报告：曹操自领大军来到汉中，目前所有辎重，移在汉水北山脚下。张郃还把天荡山的粮草一并运到，约有数千万袋。黄忠一听，心情一阵激动。作为刚立大功的心腹将领，他对刘备的策略领会的十分透彻，所以他听到这个消息后开始谋划。屯积北山的军粮是曹操全军的生活保障，如果截获这些军粮，就会立即使曹军处于败亡之地，汉中即可迅速收复。他把这个消息向刘备作了报告。刘备说：“现在曹操亲领大兵来到，恐怕粮草接给不上，因此将粮草屯积北山，以稳军心。如果能派一员将领，深入其境烧其粮草，这样曹操的军心就会随即动摇，被迫退兵。”黄忠请战说：“在下愿当此任。”刘备说：“张郃并非夏侯渊那样，他是有勇有谋不可轻敌，如果你能击破张郃，也象击斩夏侯渊一样，是一件特等大功。”黄忠奋然说道：“在下愿领兵袭击北山，打败张郃，截获军粮战备。”刘备说：“我令赵子龙率一支兵马，配合你作战。”黄忠兴奋地说：“有子龙助战，此行必获全胜。”
翊军将军赵云，字子龙，是常山真定人。他夲是公孙瓒的属下，当公孙瓒派遣刘备帮田楷抵抗袁绍的时候，赵云就跟随刘备，主领骑兵，建立了深厚的友谊。当赵云发现公孙瓒丧失民心难成大事，即告辞返里。建安五年春，赵云听说刘备依附袁绍，客居邺城，即往投奔，从此跟随征战四方。建安十三年秋，刘备在当阳长阪遭遇曹操的追兵，当时赵云在乱军之中，身抱刘禅、奋身保护甘夫人，使他们母子脱离一场浩劫，于是升他为牙门将军。刘备西进益州，赵云留守荆州，孙权大遣舟船迎妹回归，趁机带走刘禅，以此图谋荆州。赵云乘船截江，迎回刘禅。刘备从葭萌攻打刘璋，命赵云前往助阵，赵云随从诸葛亮一同溯江西上，分别平定郡县，到了江州，分派赵云从外水到江阳，和诸葛亮在成都会师。平定成都以后，刘备任命赵云为翊军将军。这次，赵云接令以后，来到黄忠的营中，协调出兵事宜，他对黄忠说：“现在曹操亲统二十万众，分屯十营，将军要去破敌夺粮，此战非同小可，将军如何策划呢？”黄忠说：“我大致计划，自率主力突袭北山，张著在后接应，你留守军营，相机而动。”赵云说：“我们可以约定时刻，如果将军按时回营，赵某可以按兵不动。如果将军过时不还，赵某立即引兵前去接应。”黄忠说：“公所言极是，我们约期定时，按照计划行动。”于是两人约定，以午时为期。赵云回到寨中对副将张翼说：“黄汉升约定明日去夺粮草，若午时不回，我当前去助战。我营前临汉水，地势危险，我如果出战，你要谨守营寨，不可轻动。”张翼说：“在下遵照执行。”
黄忠在营内反复考虑夜袭北山的行动方案，对每个环节都作了预测，并盘算了应付突发意外的办法。随后，他召来牙将张著，说：“我奉命去北山袭劫粮草，准备抽调全部主力，只留五百军士守营，你率部助战，在后策应，今夜三更，全军用餐，四更离营，到北山脚下先打张郃后劫粮草。”张著拱手说道：“在下遵令。”
凌晨四更，黄忠领着人马在前，张著在后，悄悄渡过汉水，直到北山之下。这时东天刚刚破晓，正是曹军放松警惕的时候，巡防将士都不加防备，黄忠挥刀号令全军，横冲而上。一队守军看见汉兵来到，急忙去报张郃。黄忠冲进曹营，命令马军一起下马，去烧营帐。将士一起下马，先用火箭射向营帐和料场，点点火苗迅速引燃了连排营帐，草料随后燃烧。张郃领兵赶来，急忙灭火。黄忠带领骑兵一齐上马，截击曹军，火势越烧越大，已经失去控制。张郃边打边退，派人去报告曹操。张著随后赶到，率部投入战场，打散守粮的曹军，紧急搬运粮袋。
曹操闻报北山军粮遭到袭劫，即令徐晃先行支援，自率后队人马继进。
黄忠一举打败张郃，指挥部下使用缴获来的马车战船，搬运粮袋，分作几路，往中军大营运送。刘备听到黄忠夺粮得手，也派几支兵马参加运送。由于曹军粮食太多，黄忠耽误了回营时间。
赵云在营中，等到午时不见黄忠回来，料定情况有变，即刻决定出兵助战，临行他对张翼说：“你守卫营寨，在两厢多设弓弩作好准备，遇敌进攻，坚守射击，等我回军。”赵云披挂上马，带领几十个骑兵前往接应。走到半路，却见曹将徐晃的大队骑兵疾驰而来，赵云下令截击，同时身先士卒，力挽狂澜，以少量人马挡住曹军大众。赵云发现曹操亲率大军杀奔过来，他神情镇定，首先冲击敌阵，挫其锐气，此后边战边走，从容不迫地回归夲寨。他望见后面烟尘大起，知道是曹操大军追来，即令部下准备防守。张翼就对赵云说：“追兵渐近，可令军士闭上寨门，登上敌楼防护。”赵云说：“不要关闭寨门，要虚张声势作疑兵之计。”立即令弓弩手，到寨外壕中埋伏，将营中旗帜枪械全部放倒，然后他匹马单枪，立在营门之外。徐晃领兵追到寨前，这时天色傍晚，只见寨中偃旗息鼓，赵云匹马单枪挺立营外，他们迟疑不敢前进。这时曹操赶到，催督众军向前攻营，曹军大喊一声进到营前。赵云把枪一挥，壕中弓弩齐发，前面曹军连排倒葬，顿时营内喊声大震，鼓角齐呜，如同埋伏千军万马。曹操不知汉兵多少，拨马就走，赵云、张翼乘势引兵追击。这时，黄忠率军来到，带领张著投入战斗，两路夹攻，杀得曹军走投无路，四处逃窜，自相践踏，涌到汉水河边，落水死者不计其数。徐晃弃寨逃走，保护曹操退向南郑。
赵云在汉水战役中的表现，有勇有谋，智败曹操，比起历史上任何一位名将都不逊色。赵云阻击曹操的援军，强力支援了黄忠北山劫粮的军事行动，使他减轻外围压力，集中兵力打败张郃，完成了奇袭北山的重大任务，立下大功。
第二天，刘备前来犒赏黄忠和赵云两营将士，他非常高兴，作乐饮宴直到天晚。
北山战役之后，曹操失去全军的粮草，损失特别惨重，被迫退回南郑。