刘备率庞统、黄忠等将领及万余兵马入川，先至涪城与刘璋会面。刘璋提供粮草辎重，令其前往葭萌关抵御张鲁。但刘备并未急于进兵，反而厚树恩德，以收人心，在蜀地停留近一年，暗中积蓄力量。
建安十七年212年，曹操征讨孙权，孙权向刘备求援。刘备以此为借口，向刘璋请求增兵万人及粮草补给，遭拒后决意伐蜀。庞统献策三计：上策夜袭成都，中策诈杀白水关守将杨怀、高沛，下策退回荆州再图后计，刘备选中策，借送行之机斩杀杨、高二将，收编白水关守军。
随后刘备挥师南下，连克涪城、绵竹，包围雒城。在此战中，庞统中流矢阵亡，打乱了刘备的军事部署。刘备急调诸葛亮、张飞、赵云等荆州主力入川支援，兵分三路：诸葛亮与张飞沿江水陆并进，赵云溯江而上攻取江阳、犍为，刘备则亲自率军围攻雒城。
经过一年攻坚，刘备终于破雒城，随即与诸葛亮会师，合围成都。此时马超因兵败投奔刘备，马超率部屯兵城北，成都城内震恐。刘璋见援兵断绝、粮草将尽，开城投降。
刘备入成都后，大封功臣，任命刘璋为振威将军，尽收西川赋税以充军用，并推行“蜀科”整顿吏治，初步稳定了益州局势。此战使刘备占据天府之国，奠定了三足鼎立的地理基础。