夏侯渊急忙派人到黄忠营寨，说愿意用陈式来交换夏侯尚。黄忠约定第二天在阵前交换。第二天，两军都来到山谷开阔之处，摆开阵势。黄忠、夏侯渊各自骑马站在本阵门旗之下。黄忠押着夏侯尚，夏侯渊押着陈式，两人都没给他们穿袍铠，只让他们穿着单薄的衣服遮体。一声鼓响，陈式、夏侯尚各自朝着本阵奔回。夏侯尚快跑到阵门时，被黄忠一箭射中后心。夏侯尚带着箭跑回了本阵。夏侯渊大怒，驱马直取黄忠。黄忠本就想激怒夏侯渊厮杀。两员将领交锋，战了二十多个回合，曹营内忽然鸣金收兵。夏侯渊慌忙拨转马头往回跑，黄忠趁机追杀了一阵。夏侯渊回到阵中，问押阵官：“为什么鸣金收兵？”押阵官回答说：“我看到山凹处有几处蜀兵的旗幡，担心有伏兵，所以急忙召回将军。”夏侯渊相信了他的话，于是坚守不出。
黄忠进逼到定军山下，和法正商议。法正用手指着说：“定军山西面，高耸着一座高山，四下都是险要的道路。从这座山上足以俯瞰定军山的虚实。将军如果能夺取这座山，定军山就尽在掌握之中了。”黄忠抬头望去，见山顶稍平，上面有少量人马。当天夜里二更时分，黄忠带领军士鸣金击鼓，径直杀上山顶。这座山由夏侯渊的部将杜袭把守，只有几百人。当时见黄忠大队人马蜂拥而上，只得弃山逃走。黄忠占领了山顶，这里正好与定军山相对。法正说：“将军可以守在半山腰，我在山顶。等夏侯渊的兵马来到，我举白旗为号，将军就按兵不动；等他们倦怠无备时，我举起红旗，将军就下山出击：以逸待劳，一定能够取胜。”黄忠非常高兴，听从了他的计策。
再说杜袭带领败军逃回，去见夏侯渊，报告说黄忠夺了对面的山。夏侯渊大怒说：“黄忠占了对面的山，我不能不出战了。”张郃劝谏说：“这是法正的计谋。将军不可出战，只适宜坚守。”夏侯渊说：“他占了我的对面的山，窥探我的虚实，我怎么能不出战？”张郃苦苦劝谏，夏侯渊不听。夏侯渊分兵围住对面的山，大声叫骂挑战。法正在山上举起白旗；任凭夏侯渊如何百般辱骂，黄忠就是不出战。午时过后，法正见曹兵倦怠，锐气已经低落，大多下马坐地休息，于是挥动红旗，鼓角齐鸣，喊声震天，黄忠一马当先，冲下山来，犹如天崩地塌之势。夏侯渊措手不及，被黄忠赶到麾盖之下，黄忠大喝一声，声如雷吼。夏侯渊还没来得及迎战，黄忠的宝刀已经落下，将他连头带肩，砍为两段。后人有诗称赞黄忠道：“苍头临大敌，皓首逞神威。力趁雕弓发，风迎雪刃挥。雄声如虎吼，骏马似龙飞。献馘功勋重
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