爆發
公元184年（光和七年）冬，分別來自北地郡、安定郡以及金城郡、隴西郡枹罕、河關等地的兩股羌人舉事叛亂。最初，它們分頭行動，都想趁機對抗經歷數年的腐敗和亂政已然衰弱的漢朝統治。後來，募來的派遣平叛的由羌人和小月氏人組成的湟中義從胡軍隊在令居（音Lianju，屬金城郡，在今蘭州西北）兵變反抗漢朝長官，加入叛軍，於路殺護羌校尉冷征，事態升級。此時，兩股羌人也合兵了，以原湟中義從胡士兵北宮伯玉和李文侯為將軍。此次聯合意味著叛軍控制了蘭州在黃河沿岸的條狀地帶。短短几周內，叛軍攻克金城郡治允吾（音Yuanya），從此以金城郡為主要作亂據點。因涼州刺史左昌侵占防禦軍費，救軍不濟，幫了叛軍的忙。金城太守陳懿前赴叛軍大營商談釋放人質，反遭叛軍殺害。人質中的新安縣令邊章、涼州從事韓遂被說服加入了叛軍。這些有譽望的人的加入使得叛軍獲得了更大範圍的民間支持，而此二人將在叛亂逐漸進行的過程中扮演重要角色。
隨後，叛軍圍左昌於冀縣總部。一些邊將起初並不想救援左昌，但很受尊敬的成功將領蓋勛迫令他們前去救援。叛軍因尊敬蓋勛，主動撤圍。此事後，左昌被虔誠的儒生宋臬取代。宋臬認為，只有在民間教授《孝經》才能平亂，不顧下級反對將這一建議上表朝廷，隨即也被楊雍取代。但地方狀況並未因此改善，地方官再度被叛軍圍攻。有應對羌亂經驗的新任護羌校尉夏育在漢陽郡的畜官遭句就種羌首領滇吾（音Dianyu）攻打，蓋勛又一次率軍往救。但這次，他在附近的狐盤遭到慘敗。夏育、蓋勛都逃走了，此時涼州政府顯然已經不能靠自己的實力應對叛軍了。
過程
朝廷回應
公元185年春，叛軍已達數萬人，進軍漢故都長安。朝廷任征討黃巾的名將皇甫嵩為左車騎將軍，防禦長安。但皇甫嵩初期無功，因宦官誹謗，上任四個月後於七月被免職。涼州的持續叛亂使國庫大損，朝廷不得不課稅、徵召勞力以應戰。司徒崔烈建議放棄涼州。議郎傅燮則發表了一篇激動人心的演說，譴責崔烈，並強調涼州地處前線的重要性：“涼州官員失和，使整個涼州落入叛逆之手。崔烈身為宰相，不想著為國家想平定它的辦法，卻想割棄一方萬里的土地，臣竊以為疑惑。如果讓左衽的蠻夷占領此地，軍力強盛並作亂，這將是天下最大的顧慮和社稷的深切憂患。……如果崔烈不知道這一點，他就太蠢了；如果他知道了還這么說，是不忠。”傅燮的說辭打動了漢靈帝，他拒絕了崔烈的建議。傅燮被任為漢陽太守，派往前線。
八月，司空張溫被任為車騎將軍以代皇甫嵩。新任破虜將軍董卓、蕩寇將軍周慎等均在其帳下效力。張溫所部十萬餘人馬行至美陽紮營。邊章和韓遂也率本部來美陽作戰，雙方勝負未分，張溫一度未能取得優勢。十一月，一顆流星墜入叛軍營寨，叛軍軍心動搖。董卓趁機突襲，擊潰叛軍，迫使邊、韓向西退入金城郡的榆中（今蘭州附近）。
此戰得勝後，張溫兵分兩路追擊叛軍：周慎率軍三萬攻榆中，董卓率軍三萬追擊湟中義從胡。但周、董都戰敗了。周慎不顧部將孫堅切斷敵軍糧道的建議，結果自己的糧道反遭敵軍切斷，只得倉皇撤退；董卓在望垣被羌人包圍，糧食耗盡。董卓在河上築堤壩，作捕魚蝦狀，卻秘密率軍渡河，得以逃脫。羌人想追擊時，因被堤壩攔截的河水太深而無法渡河。此次進攻，諸將中只有董卓全軍而還。
雖然美陽之戰阻止了叛軍向漢朝的心臟地帶進軍，因漢軍進攻失敗，叛軍仍在黃河上游保有勢力。渭河上遊河谷成為雙方爭奪的地區。
地方勢力試圖恢復中央政權（公元186年—公元187年）約186年冬，叛首邊章病亡，北宮伯玉、李文侯死於內訌。新任涼州刺史耿鄙認為可以從中取利，試圖在沒有來自其他地區的大軍援助的情況下在涼州重建漢庭的統治。傅燮試圖勸阻，稱百姓並未習慣耿鄙這個長官、軍隊也沒有時間建立士氣，但耿鄙仍自行其是。
公元187年，耿鄙集結六郡軍隊攻地處西疆的隴西郡。先前因隴西郡太守李相如倒戈，隴西郡為韓遂軍所占。但耿鄙任用貪官程球為治中，讓士紳和百姓寒心。四月，軍隊開至隴西郡治狄道時，耿鄙軍發生兵變，程球和耿鄙都被殺死。變兵在狄道人王國帶領下加入叛軍，合圍隴西以東的漢陽。傅燮身為漢陽太守，善待百姓，遠近敬重，叛軍在和他作戰時躊躇了。叛軍數次試圖說服他逃跑或投降，但儘管人力物力日益短缺，傅燮仍決心誓死守城。在一場孤注一擲的衝鋒中，傅燮陣亡。
此事後，耿鄙下屬軍司馬馬騰率本部投韓遂，共推王國為帥，叛軍一齊劫掠長安周邊地區。他們也首次統治了整個涼州。張溫因而因平叛失敗被解職。
陳倉之圍
公元188年末，朝廷幾乎放棄了收復涼州的希望，很大程度上讓地方自守。但當王國率大軍東進攻長安門戶陳倉時，朝廷再度起用皇甫嵩以解除眼前的危機。皇甫嵩被任為左將軍，帶兵兩萬；董卓也有兩萬部屬，協助皇甫嵩。當皇甫嵩、董卓到陳倉後，董卓敦促皇甫嵩立即解圍。皇甫嵩卻不同意，認為陳倉防禦堅固，不易被攻克，他們只需要坐等王國軍泄氣。王國圍城八十餘日，毫無進展。
公元189年春，王國軍疲勞了，放棄圍城。王國軍休息時，皇甫嵩下令追擊。董卓據兵家“窮寇莫追（以免其死戰）”的道理反對。皇甫嵩卻駁回了，認為王國撤退不是有組織的，而是鬥志全失的結果。皇甫嵩率本部進攻，留董卓殿後，取得大勝，斬首萬餘。董卓為此羞憤，從此滋生對皇甫嵩的怨恨。
陳倉之敗後，王國被韓遂、馬騰廢黜，原信都令閻忠被推為涼州叛軍的新頭領。但閻忠不久去世，叛軍內斗並最終分成三個集團：金城的韓遂集團，渭谷的馬騰集團，枹罕（在今甘肅）的宋建集團。因為叛軍的權力從起事的少數民族轉移到本土漢人叛軍手中，羌人和月氏人漸漸不再支持叛亂，此後也不再在此亂中起作用。
若非是公元189年都城洛陽的變故，涼州之亂在此時本可被平定。漢靈帝於189年5月13日駕崩後，大將軍何進被殺，洛陽隨之發生了戰鬥。亂中董卓率邊兵進入洛陽並掌控朝廷，廢漢少帝立漢獻帝，自任相國。年末，全國爆發起事，在漢朝分裂的背景下，涼州之亂被歸為邊遠地區的騷亂。
戰亂尾聲
中國陷入分裂並混亂後，涼州三大叛首各自成為軍閥並採取不同措施以適應新的地緣政治背景。宋建遠離中原紛爭，自稱“河首平漢王”，割據枹罕和河關地區自立約三十年之久。另一方面，韓遂和馬騰捲入整個漢帝國的紛爭之中，開始和為了應對討董聯軍而尋求他們支持的董卓和解。公元192年，董卓身亡，餘部李傕、郭汜奪取政權，分別任韓遂、馬騰為鎮西將軍、征西將軍，官方承認了兩位叛首的地位。結束
後來，韓遂、馬騰關係緊張：他們時而聯盟，時而交火。公元209年，馬騰被韓遂逼迫出逃，求助於控制了華北地區和朝廷的權勢軍閥曹操。當時，曹操正有意於西北，因而邀請馬騰來他的鄴城大本營，實際以為人質。2年後，馬騰子馬超起兵反曹，馬騰全家在鄴城被誅。公元211年春，曹操派前軍師鍾繇前往渭谷，作攻打張魯在漢中的神權割據政權狀。此次入侵刺激了韓遂、馬超等西北軍閥，他們組成聯盟對抗曹操。聯軍在潼關之戰中抵抗曹操親自指揮的曹操軍。曹操用熟練的策略緩慢行進到聯軍後方，同年秋在一場遭遇決戰中擊潰聯軍。潼關之敗標誌著西北地區的自治開始終結。
此戰後，曹操向東回師，留征西護軍夏侯淵負責後續工作，張既負責重建地方政府。馬超在曹操離去後攻占冀城，試圖籌劃抵抗，和氐人建立聯盟，但在公元213年被夏侯淵軍和內部變兵聯手驅逐。馬超南投張魯，後投四川的西南軍閥劉備，在那裡於公元221年過世，再未重返北方。公元214年，夏侯淵在長離水擊敗韓遂抵抗軍，隨即在對氐人和宋建的遠征中告捷。宋建死，其都枹罕被克，屬官皆被夏侯淵所殺。次年，韓遂死，餘部將其首級送給曹操以示歸順。因此，由約三十年前的涼州之亂衍生而來的軍事集團最終被消滅了。
影響
公元220年，曹操過世，其子曹丕迫使獻帝遜位，建立曹魏王朝取代漢朝。他在位時，西北郡縣得以重新設立，西北地區只爆發了少數當地人的叛亂。公元222年，因涼州一連串戰亂中止的和中亞的貿易得到官方重建。儘管有此成果，中原對西北的權勢掌控弱於涼州之亂之前的漢朝。和漢朝相比，曹魏的西北領土收縮了，因為一些原郡縣如宋建在枹罕建立的王國被直接廢棄了。該地區的中原人口縮小，終為南面山裡的羌人和氐人制服。涼州之亂後一個多世紀，羌人、氐人和其他華北遊牧族群一起推翻了上級中原政權，在華北建立了胡人邦國。
