去打漢中的張魯，為此他給劉備補充了人馬，又把成都北面白水關的駐軍劃歸劉備指揮，劉備所部人馬達到了三萬多人，武器裝備等軍用物資也很充足。劉璋回到成都，讓劉備駐軍葭萌關，此關位於如今四川省廣元市昭化鎮，這裡與川北另一個著名關口劍門關僅幾十裡，劉璋想讓劉備以此為基地展開對張魯的攻擊。
劉璋淨想好事了，他忽略了一個事實：別人也不傻，更何況這個“別人”是老江湖劉備。
劉備到了葭萌關，根本不考慮進攻張魯的事，而是“厚樹恩德，以收眾心”。
建安十八年（213年）曹操率大軍進抵濡須口，孫權向劉備這個新妹夫發出聯合行動的請求（曹公徵孫權，權呼先主自救）。劉備此時遠隔千山萬水，且壓根沒有援救孫權的打算，但他覺得這是一個機會，可以利用一下。
劉備派人告訴劉璋，說曹操攻吳，同時派樂進攻關羽，如果不及時援救，荊州將有失，這件事的緊急程度目前大於徵張魯（其憂有甚於魯），因此請求劉璋再撥一萬人馬，以及後勤物資，讓自己率軍回援荊州。
劉璋又花錢又出人，目的是讓劉備打張魯，現在事情沒有任何進展，劉備倒有趁機溜走的嫌疑，心裡很不痛快，但也不便撕破臉，他只給劉備湊了四千人馬，所要物資也都減半提供。
按說你沒給別人辦任何事，現在這些是人家白給的，已經很不錯了，但劉備抓住把柄大做文章。據《魏書》說，劉備故意激怒手下的人說：“我替劉益州征討強敵，歷盡辛勞，不怕犧牲，但是他卻吝惜錢財，有功不肯獎賞，還希望大家出死力作戰，有這樣的道理嗎？”
張松、法正等人也抓住機會，作好了暗中與劉備配合的準備。張松的哥哥、廣漢郡太守張肅知道了他們的密謀，害怕連累自己，於是向劉璋告發，劉璋下令把張松抓了起來，處斬。
劉璋同時命令川北各路駐軍加強防範，不讓劉備人馬透過。劉備大怒，把白水關守軍將領楊懷召來責斥一頓後殺了。劉備派黃忠、卓膺率兵進攻成都的劉璋，自己到白水關把駐軍家屬看起來作為人質。白水關的駐軍很有戰鬥力，號為白水軍，劉備手裡握有白水軍將士的家眷，不擔心他們會叛亂，於是率白水軍趕上黃忠、卓膺，佔領了涪縣。
劉璋派劉、冷苞、張任、鄧賢等人領兵與劉備相拒於涪縣，這幾路人馬都打了敗仗，劉璋退保綿竹。後來他又派李嚴統率綿竹各軍與劉備對抗，哪知李嚴一上戰場就率眾投降了。
這時，東邊的濡須口會戰已經結束，荊州的威脅也降低了，劉備派人通知諸葛亮，留下關羽守荊州，讓他與張飛、趙雲等人帶兵溯江西上，先後攻佔了白帝城、江州、江陽等地，劉璋最後退保成都以北的雒城（今四川廣漢雒城鎮）。
劉璋之子劉循以及張任、劉拼死守衛雒城，劉備圍了一年之久，直到建安十九年（214年）雒城才被攻破。此戰劉備也付出了慘重代價，他的軍師中郎將龐統率眾攻城，被流矢所中，不治身亡。
攻佔雒城後，劉備進圍成都。成都城池很堅固，雒城尚且守了一年，成都更不好打，但劉璋只守了幾十天就開城投降了，原因是劉備那邊來了個猛人。
這個人就是馬超。建安十六年（211年）馬超被曹操打敗，後又被楊阜等人趕出了涼州，他只好跑到漢中的張魯那裡棲身，但張魯對馬超很有戒心。馬超又跟張魯手下的將領楊昂等合不來，心裡很不痛快，聽到劉備跟劉璋在益州交手，感覺是一個機會，就寫信給劉備表示願意轉投他。
馬超主動跳槽對劉備來說是意外之喜，他派人迎接馬超，讓他駐兵於成都城外。馬超從張魯那裡跑出來時沒帶幾個人，他新納的妻子董氏、兒子馬秋還在張魯手裡，他的愛將龐德也沒有隨行，總之來得很匆忙，或者說有點狼狽。
這一點劉備倒覺得無所謂，只要有馬超的名氣就夠了。據《典略》說，劉備悄悄給馬超增兵，就說是馬超帶過來的，讓他們屯駐於成都城北，然後宣稱馬超帶涼州兵前來助戰。城內本來就信心不足，聽說名將馬超和勇猛異常的涼州軍來了，鬥志徹底瓦解，便開城投降了。
劉備攻克成都，舉行了盛大的慶祝活動（置酒大會，饗食三軍）。劉備宣佈自任益州牧，下令把劉璋遷居於公安，讓他掛個振威將軍的名義，實際上是軟禁起來了，這個振威將軍曾經是曹操以獻帝名義授予劉璋的，倒是合法的。
從建安十六年（211年）到建安十九年（214年），劉備用了三年時間佔領了整個益州。到了這時，天下三分的局面也就初步形