黄忠乘胜前进，直逼定军山下，而夏侯渊则听从张郃的建议，据山凭险坚守不出。黄忠和法正仔细观察了这一带的地形，商议下一步的作战计划，法正手指西南方向的一座山峰说：“那里有一座高平峰，四下都是险路，从那座山上就可以看到定军山的虚实，将军如果占领那座山峰，夏侯渊就在掌握之中。”黄忠举目观看那座山势，只见山头稍平，山上有些人马旌旗，和驻在定军山的曹军声势相应。他当即决定夜攻高平峰，抢占制高点。当夜二更时分，黄忠命令军士呜锣击鼓，亲自杀上山顶。这座山峰上有夏侯渊部将杜袭把守，只有数百人马。
杜袭字子绪，颖川郡定陵县人，曾祖父杜安，祖父杜根都是汉朝有名的人物。杜袭避乱于荆州，刘表以贵宾之礼接待他，但他却心怀异志。同郡的繁钦屡次受到刘表的赏识，杜袭告诉他说：“我之所以和足下同来此地，只是打算暂时隐居，等待时机一到，再出而一展抱负，怎么能说刘表是拨乱反正的圣主，而规劝长者委身服事呢，足下如果不停止自己表现才能的话，就不是我的朋友，我要和你绝交了。”繁钦慨然敬受他的指示，杜袭于是南到长沙。建安初年，曹操迎接天子建都许昌，杜袭逃回故乡，曹操任命他为西鄂县长。县界的南边，冠贼横行，当时地方长官都聚集百姓保卫城郭，一直无法从事农耕，田地荒废百姓穷困，仓库空虚。杜袭自己知道恩德结于民心，于是分派老弱居民，各自分散从事农业生产，留下成年强壮的人，担任守备工作，吏民上下都很高兴。适遇荆州派出步兵和骑兵及一万人来攻县城，杜袭就全部召集县内担任守拒的吏民，和他们立誓守城。杜袭临危不惧，亲自拿着弓矢和石头，率领众人合力御敌，坚守城池。部下伤亡甚重，于是带领伤残的吏民突围而出，最终死亡殆尽。他招集流散百姓，迁徙到摩陂菅。司隶校尉钟繇上表请任命他为议郎参军事，荀彧也举荐杜袭，曹操任命他担任丞相军祭酒。曹操称魏王以后，杜袭担任侍中，深受敬重。其后兼领丞相长史，跟随曹操到汉中讨伐张鲁。曹操大军将还，拜杜袭为附马都尉，留下来督理汉中的军事，安抚开导百姓迁到洛阳、邺城。刘备率军进攻汉中，杜袭也来参战，派到定军山，驻防高平峰。
当夜，杜袭听到鼓声，透过夜色看见汉军几队人马拥上山来，急忙带兵抵抗，部下纷纷逃跑，他只得弃山而走，借助夜色的保护，从林间小路溜向曹军大营。
黄忠占领高平峰，黎明时分，他耸立山顶观看形势。这里正好和定军山直线相对，瞰制曹军大营，一切活动和虚实情况尽在眼下，掌控了作战主动权，随时就能使曹军遭到打击。法正又向黄忠献计说：“将军可守住半山，法某居在山顶，待夏侯渊兵到，我举白旗为号，将军按兵勿动，待他倦怠懈备，我举起红旗，将军便下山进击，以逸待劳必当取胜。”黄忠欣然采纳法正的建议。
杜袭败退以后，来见夏侯渊说：“杜某失去了高平峰，形势对我军不利，杜某有罪，请将军依法处罚。”夏侯渊说：“现在我军正值危难关头，不能因为失去一座山峰就处罚将领，希望你日后将功补过。”杜袭感动地说：“杜某感恩不尽，请令带兵收复高平峰。”夏侯渊说：“黄忠占领对面山峰，对我军是一种严重的威胁，我们必须争夺过来，今日我协助你夺取山峰。”张郃看见夏侯渊准备出战，又来劝说：“将军千万不可出战，黄忠步步进逼，就是激发将军离开险要地势，趁机进兵，我们应该扬长避短，发挥地理优势，坚守拒战，不能外出。”夏侯渊说：“黄忠占领对面山峰，观察我们的虚实，已经丧失了地理优势，如果不夺回来，形势对我不利，收复以后，再凭险坚守。”夏侯渊令张郃守卫大营，自带主力分路围住高平峰，向黄忠挑战。法正站在山上，举起白旗，黄忠按兵不动。午时以后，法正看见曹兵开始倦怠，锐气明显低落，很多人下马坐地休息，他认为出战时机已到，于是将红旗招展。黄忠即令后队鼓角齐鸣，前队下山杀敌，一时喊声大震。黄忠一马当先冲下山来，军土挥刀挺抢紧跟而下，势如天崩地塌。黄忠趁势冲向中军主将的麾盖，杀得护卫将校七零八落。夏侯渊看见将士披靡倒落，急忙亲自迎战。黄忠冲到他面前，大喝一声，刀光一闪将他砍下马来，斩下首级。
曹魏益州刺史赵颙急来抢救，一看主帅已经阵亡，知道祸如塌天，罪责难逃，当即迎战黄忠，想力挽狂澜，扭转败局，以便向曹操报功补过。黄忠手起刀落，击斩赵颙。黄忠和陈式乘胜追击奔逃的曹军，进至曹军大营。这时刘备挥师围攻张郃。曹军大营一片混乱，张郃听说主帅夏侯渊临阵被杀，致使全军崩溃，他顿时大惊失色，稳定一下心神，领兵凭险坚守。黄忠、陈式、赵云三路攻打，横扫如同卷席，杀得曹军全线分崩，东逃西散。张郃一看大营实在守不住了，急忙带领残兵败将避开汉军的主力，退回阳平关一带，到汉水立营，派人飞报曹操。刘备全部缴获了曹军大营中战马军器，粮草物资。
定军山一战，黄忠只手扭转汉中战局，奠定了刘备夺取汉中的坚实基础，成为汉中争夺战的转折点。这个辉煌的胜利使刘备信心大增，他对手下将领说：“现在就是曹操来到也无能为力，汉中一定是我们的。”
黄忠这个出色的战例，十分符合兵书所云：狭路相逢勇者胜。打仗本身就是靠勇力拼杀搏斗，尤其是短兵相接的时候，哪些妙计奇谋先进武器统统用不上，战场上依靠高强的武功和顽强拼搏的勇气，去获得更大的胜算。黄忠就凭借冠绝三军的勇气，阵斩曹魏名将夏侯渊，以及曹魏益州刺史赵颙，正是这一仗中的出色表现和卓越功勋，投效刘备已经十年的黄忠才能在汉军中超过实力派的赵云，成为一级大将。在汉朝历代的名将之中，黄忠是继西汉开国时期的名将灌婴之后，成为勇将出马的正面教材，在当时名扬天下，在后世广为传颂。
有诗赞曰：横刀临大敌，上阵显神威。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，开疆展帝畿。
定军山战役告捷以后，刘备十分高兴，加黄忠为征西将军，当日设下大宴进行庆贺。