劉璋在殺掉張松以後，隨即命令各地將領，不再把公文送交劉備，劉備召見劉璋的白水軍的司令楊懷與將軍高沛，罵了他們一頓，將他們斬首。
劉璋、劉備成了仇敵。劉備一面派遣黃忠與卓膺，帶兵向涪縣(綿陽)前進;一面親自衝進白水關，接收楊懷與高沛所遺留下來的白水軍，先叫白水軍的軍官與兵士每人都把家眷留下來當「人質」。然後就率領這些軍官兵士，開到涪縣，與黃忠、卓膺二人的部隊會合。
涪縣很快就被攻下，劉璋的主力退守綿竹縣。劉璋加派一個姓李名嚴的人，做守城的「督」。這李嚴守了不久，就夥同費觀等人向劉備投降。
劉備進一步包圍雒縣(四川廣漢)。圍了差不多一年，破不了城。守城的是劉璋的大將張任。張任的部隊，射死了劉備的兩個「軍師中郎將」之一：龐統(另一位軍師中郎將是諸葛亮，留在荊州)。
劉備派人叫諸葛亮趕快來，也叫張飛、趙雲同時來。
三人帶了不少的兵，只留下不太多的部隊，由關羽坐鎮荊州。關羽身邊，沒有什麼文人，只剩下一個馬良(馬良是馬謖的哥哥，比馬謖有學問)。
張、趙與請葛亮率軍浩浩蕩蕩地進入益州，抵達江州(重慶)，與劉璋的巴郡太守嚴顏，打了一仗，俘虜了嚴顏。張飛罵嚴顏：「我們的大軍已到，你為什麼不來投降。」嚴顏回罵：「你們來侵奪我們的益州。益州只有斷頭的將軍，沒有投降的將軍。」張飛大生其氣，叫左右把嚴顏拖出去砍了。嚴顏卻並不害怕，也不生氣，從容不迫地向張飛說;「砍頭就砍頭。你生氣幹什麼?」張飛聽了，有點慚愧，氣也消了。對嚴顏生出了佩服之心，就吩咐左右，把嚴顏釋放。而且聘請了嚴顏當自己的「賓客」(相當於今日的顧問參議)。
佔領了江州以後，諸葛亮陪張飛走北路，趙雲走南路，目的地是雒【luo】縣。張飛所走的北路，可能是溯涪江而上，指向西北，經過今日的合川、遂寧、三台，轉向正西,以便幫助劉備圍攻雒城。
趙雲所走的，是先向西南，溯長江而下，佔領江陽(瀘州)。轉而向北，經今日的內江、資中、簡陽。他們三人未曾到達雒縣之時，劉備已經攻下了雒城，轉攻成都了。
張飛、趙雲與諸葛亮所率領的大軍，與劉備所直接統率的部隊會合，把劉璋緊緊地困在成都城。
忽然，馬超派人從漢中來找劉備，表示願意來益州投奔他。
劉備大為高興，向左右說：「有馬超肯來，益州等於是已經拿下來了。」
馬超帶領了他的殘餘的少數軍隊，來到成都郊外，拜見了劉備與張飛、趙雲、諸葛亮、黃忠、卓膺等人。劉備分了很多兵給馬超，叫馬超把這些兵改換服裝，在外表上成為涼州的胡人的樣子。
劉璋在成都的城裡，接到城牆上守望兵士的報告，說馬超帶了許多的涼州胡人部隊來，十分害怕。
劉璋決定向劉備投降。他的左右說：「城裡的精兵還有三萬，糧食還夠吃兩年，為什麼要投降呢?況且您父親與您，兩代的益州牧，都對老百姓極為寬厚。老百姓與文武百官，都願意和兵士一致作戰，情願為您而死。」
劉璋說：「不必了。我與先父做了益州的長官二十幾年，並沒有什麼恩德施給百姓。最近這三年(從建安十七年到建安十九年)，與劉備兵連禍結，軍民死了很多，都是為我而死。我怎麼忍心再叫成都城內的這些人又死呢?」
於是，他開城投降。劉備對他也頗能留一手，不僅不將他殺害，而且送他與家眷到荊州公安城去住，叫他把私人的財寶完全帶走。又准他仍舊佩帶「振威將軍」印綬(這振威將軍的名義，是以前曹操用漢獻帝劉協的名義頒給劉璋的)。