不料，張鬆想要謀害劉璋的事，被他的哥哥知道了，張鬆的哥哥張肅當時任職廣漢太守。他唯恐弟弟出賣劉璋的事情東窗事發後連累自己，便將此事上奏劉璋。劉璋聽後非常震怒，立即下令收押張鬆，並將他斬首示眾。
這件事情導致劉璋和劉備之間出現了隔膜。劉璋下令守衛邊界的將領，沒收劉備與中原來往的信件。劉備知道此事後大為生氣，但他對是否奪巴蜀舉棋不定，龐統再次勸說他：“如今有三個計策可行。上策就是立刻選精兵，晝夜兼行，襲擊成都。劉璋既不善於兵事，平時又沒準備，突然遇到大軍過境，必敗無疑。中策是主公現在假裝要返回荊州，然後派人邀請劉璋的兩員大將楊懷、高沛前來一見。他二人手中握重兵並且駐守關頭，聽說他們經常上疏劉璋，請劉璋把您發遣回荊州。他倆一聽您要回去，必定高興來見。可趁機殺了他們，收服他們的軍隊，進而攻向成都。最下策就是退回白帝城，與荊州連成一線，再慢慢地圖謀此事。您不能再如此猶豫不定了，否則必會導致大難。”
劉備聽後，決定殺死對自己不利的楊懷和高沛，並且接收他倆的軍隊。
同時，劉備親自率領黃忠、卓膺等帶兵進攻涪城。劉璋在涪城的守將劉璝、冷苞、張任、鄧賢等皆被劉備的軍馬一一擊破，退守在綿竹。
這時，劉璋的大臣鄭度上書說：“左將軍兵不滿萬，民心不附，不如把巴西、梓潼附近的百姓遷移到涪水以西，並將倉廩貯穀全部燒毀。劉備軍資缺乏，必不能久戰，等他們自己撤退後，我們便可趁機追擊。”
劉備聽到這個消息後非常擔心，便前往請教法正。法正告訴他說：“你放心好了，劉璋絕對不會聽從此計。”
果然，懦弱的劉璋告訴群臣說：“我隻聽過要抗拒敵人以安定百姓，從來沒聽說勞動百姓來躲避敵人。”因此，劉備的作戰一直都很順利。
諸葛亮自從劉備率軍入蜀後，便受托駐守在荊州總攬大事。他在荊州密切注意蜀地各種情勢的發展。
建安十九年（214年），劉備正在圍攻雒城，諸葛亮眼見時機成熟，便令關羽留守荊州，親自率領張飛、趙雲等兵將溯江而上，平服了江陽、江淮和白帝城，前往支援劉備。
這年夏天，劉備等人經過了一番激戰，終於攻破了雒城，進而圍攻成都。然而龐統卻於率眾攻城時，被流箭誤殺身亡，年僅36歲。劉備喪失愛將，悲痛不已，每次提到龐統的名字，總是悲從中來。
早先馬超被曹軍攻打得狼狽不堪時，曾投效到張魯的麾下。此時，張魯眼見益州即將不保，便派遣馬超帶兵前來支持劉璋。但是，劉備也派遣李恢前往說服馬超投降，馬超受詔，在到達成都時，即轉而投效到劉備的旗下。
這時，劉璋已是四麵受敵、朝不保夕了。劉備包圍成都數十天，派從事中郎涿郡人簡雍進城勸降劉璋。此時城中還有精兵三萬人，糧食和絲帛可以支持一年，官吏和百姓都願死戰到底。
此時的劉璋卻說：“我們父子統領益州二十餘年，對百姓沒有什麼恩德。百姓苦戰三年，暴屍荒野，實在是因為我劉璋的緣故，我怎能安心！”因此他命令打開城門，和簡雍同乘一輛車出來投降，部屬無不傷心落淚。劉備把劉璋安置在公安這個地方，歸還他的全部財物，讓他佩帶振威將軍印綬。劉備大軍毫發無損地進入成都。劉備自領為益州牧，並大封群臣，諸葛亮受封為軍師將軍，置左將軍府事，法正、關羽、張飛等人也都分別加封晉爵。
成都平定後，法正受封為蜀郡太守、揚武將軍，對外負責京畿的安全，對內則負責共參謀策。法正當年深受蜀地人士的輕視和毀謗，如今得勢後，對已往和他有私怨的仇人都不放過。有的將領看不過他的公報私仇，便把法正所做的事告訴了諸葛亮，要求他將法正的事告知劉備，不應該縱容法正的行為。
諸葛亮回答說：“當主公在公安時，北有曹操為敵，東有孫權相逼，近有孫夫人的威脅，真可說是四處受敵。當此危難之際，法正全力輔佐主公，使主公得以擺脫困境，有了今天的成就，如今，又怎麼能與他計較這些事呢？”
諸葛亮之所以放任法正，是因為他認為當務之急，不是如何懲治法正的不法行為，而是要怎樣治理好巴蜀的內部問題。諸葛亮出任左將軍府事後極力整飭內政，選賢舉能，隻要有才能便推舉他們出來做官，而不計較他們的過去。因此，諸如劉璋的舊識如許靖、糜竺、簡雍，部屬董和、黃權、李嚴和他的親戚吳懿、費觀等人，皆獲得重用。
諸葛亮治理益州時，政令嚴苛，賞罰分明，不滿之聲時時可聞，法正便曾對他說：“高祖入關時，與百姓約法三章，百姓都非常感激他的寬宏大量。今日你假借君主的權力，不肯體恤民情，這樣必然會喪失百姓對君主的向心力，你應該緩弛刑罰，以慰藉新歸屬的蜀地百姓。”
諸葛亮反駁他說：“你隻知其一，不知其二。秦政嚴苛，人心分崩離析，高祖立於秦歿，對百姓加以弘濟，人民立即能體會出他的恩惠。今日則不然，劉璋懦弱無能。自從他即位以來，德政不舉，威刑不肅，蜀中人民爭相鑽營，求得高位，殊不知位極則賤。今日吾人威之以法，法嚴畯則百姓知恩惠。限之以爵，則加官晉爵時才能領略出榮耀。榮恩並施，上下有節度操守，如此才是治理政事的要領。”
諸葛亮管轄的蜀地政治清明，賞罰公平。他治民有道，任用人才隻考慮其是否有才華，而不計較他的資曆先後。他對西邊的少數民族也極力招撫。不到數年，西方的部落便紛紛臣服於劉備的旗下。