北宋興起，已經攻占荊、潭，更昶更加害怕，派大程官孫遇用蠟丸書從小道到北漢，相約共同出兵阻撓北宋的統一活動，孫遇被北宋邊吏捉住。
宋太祖趙匡胤因此下詔伐後蜀，派王全斌、崔彥進等出鳳州，劉光乂、曹彬等出歸州；詔八作司度右掖門南、臨汴水為孟昶建造房屋五百餘間，供帳雜物齊備，以等待孟昶投降後用。
孟昶派王昭遠、趙彥韜等抵抗。軍隊剛從成都出發，孟昶派李昊等人設宴送行，王昭遠手拿鐵如意指揮軍事，自比諸葛亮，酒意正濃，對李昊說：“我這次進軍，哪裏隻是抗拒敵軍？我領這二三萬雕麵惡少兒，奪取中原易如反掌啊！”孟昶又派兒子孟玄喆率精兵數萬守劍門。孟玄喆用車攜帶愛姬，帶著樂器和幾十個演戲的人隨軍出發，蜀人看見了都偷偷譏笑。王全斌至三泉遇到王昭遠，將他擊敗。
王昭遠焚吉柏江浮橋，退守劍門。軍頭向韜聽蜀軍俘虜說：“來蘇小路，從劍門南邊清強店與大路會合。”王全斌派偏將史延德分兵走來蘇小路，北擊劍門，與王全斌夾攻，王昭遠、趙彥韜敗走，都被俘虜。孟玄喆聽到王昭遠等戰敗的消息，也逃回成都。
劉光乂攻夔州，守將高彥儔戰敗，閉牙城拒守，判官羅濟勸他撤走，高彥儔說：“我以前不能守住秦川，今又撤退，雖然君主不殺我，我有何麵目見蜀人呢！”
又勸他投降，高彥儔不許，於是自焚而死。蜀兵奔潰，將帥多數被俘虜。孟昶問計於左右，老將石頵認為宋軍遠來，勢不能久，應當聚兵堅守等待東兵疲憊。
孟昶歎氣說：“我和先帝用溫衣美食養士四十年，一旦臨敵，不能為我向東放一箭，雖然想堅守，誰能為我去守呢？”就命李昊寫表向北宋投降，後蜀滅亡，當時是公元965年正月。
從宋軍伐蜀至孟昶投降共計六十六日。當初，李昊為前蜀皇帝王衍的翰林學士，王衍敗亡時，李昊為他寫降表，現在又為孟昶寫降表，蜀人夜間在他門上寫“世修降表李家”，當時傳為笑話。
孟昶投降北宋後，從成都押送到北宋京師汴梁的途中，成都有數萬老百姓冒著生命危險為他送行，人們哭送著，男女老少沿江護送，其中哭得慟絕者數百人，孟昶也用手捂著臉麵痛，老百姓一直從成都送到鍵為縣，達數百公裏，其場麵十分感人。
到達汴京後，授任檢校太師兼中書令，封秦國公。孟昶被封秦國公的第七天去世，時年四十七歲，追封為楚王。
孟昶死後，成為趙匡胤妃子的花蕊夫人因為思念孟昶，偷畫下孟昶的畫像，思念之時便拿出來欣賞。
有一次被趙匡胤撞見，花蕊夫人便謊稱這是後蜀時期的送子神仙畫像，孟昶的畫像就被流傳於百姓家中成了送子神。