刘备攻打益州时，除关羽镇守荆州大本营外，诸葛亮携张飞、赵云入蜀会战，刘备两支大军汇合，最终击败刘璋，取得益州。刘璋为人仁义，故军力不张，汉中太守张鲁（原刘璋下属）兵强马壮，兼之有马超助阵，故有侵蜀之意。张松劝刘璋引刘备入川，以共抗强敌张鲁，收复汉中后，还可以继续抵抗更加强大的曹操大军。刘备率领庞统、黄忠、魏延、卓膺入蜀后，受到刘璋的礼遇，并将白水军交给刘备节制，令其引兵北上击张鲁。
刘备借荆州是有借无还，入蜀助刘璋也只是为了取得巴蜀之地，故刘备大军行至葭萌关（广元市昭化镇）后，就停滞不前，大肆收买人心。时曹军攻东吴，孙权求救于刘备，刘备让刘璋给他增兵一万以伐曹操，刘璋只同意增兵四千，刘备不满，假意要归荆州。张松写信给刘备劝，其取自领益州；张松行事不密，被其哥哥告发，刘璋怒而斩张松。刘备以此为借口诛白水军将领，自将其军，引一万余众向成都攻去。
刘璋的谋士郑度知刘备起兵伐成都后，建议刘璋将巴西与梓潼境内的百姓全部驱赶到内水、涪水以西，来个坚壁清野，耗死刘备。但是刘璋认为军队的作用是保家护民，现在迁民以护军，是不仁义的行为，最终没有采纳。刘备攻入蜀中，各地纷纷降了刘备，但是攻至雒城（德阳广汉市）时受阻一年有余。这时诸葛亮率张飞、赵云尽起本部兵马沿长江而上，攻占巴东地区，张飞智取江州城（重庆市）。之后诸葛亮派遣赵云经外水出兵平定江阳、犍为；派张飞平定巴西、德阳。
刘备攻破雒城后，进兵包围了成都，诸葛亮、张飞、赵云也率兵合围成都。马超威震西北，败于曹操后率兵归降张鲁，马超受到张鲁排挤，于是率兵降了刘备。马超率兵包围成都北门，成都官民听闻马超来了，十分恐惧。刘璋不忍官民战死，不忍自己丢命失去富贵，于是开城投降。刘备把刘璋安置在公安这个地方，归还他的全部财物，让他佩带振威将军印绶。平定益州后，刘备自任益州牧，孙权派人来索要荆州五郡，刘备回答说：等我取了凉州后，再归还荆州！至此刘备拥有荆州、益州两州，实力大涨！