关的驻军划归刘备指挥，刘备所部人马达到了三万多人，武器装备等军用物资也很充足。刘璋回到成都，让刘备驻军葭萌关，此关位于如今四川省广元市昭化镇，这里与川北另一个著名关口剑门关仅几十里，刘璋想让刘备以此为基地展开对张鲁的攻击。
刘璋净想好事了，他忽略了一个事实：别人也不傻，更何况这个“别人”是老江湖刘备。
刘备到了葭萌关，根本不考虑进攻张鲁的事，而是“厚树恩德，以收众心”。
建安十八年（213年）曹操率大军进抵濡须口，孙权向刘备这个新妹夫发出联合行动的请求（曹公征孙权，权呼先主自救）。刘备此时远隔千山万水，且压根没有援救孙权的打算，但他觉得这是一个机会，可以利用一下。
刘备派人告诉刘璋，说曹操攻吴，同时派乐进攻关羽，如果不及时援救，荆州将有失，这件事的紧急程度目前大于征张鲁（其忧有甚於鲁），因此请求刘璋再拨一万人马，以及后勤物资，让自己率军回援荆州。
刘璋又花钱又出人，目的是让刘备打张鲁，现在事情没有任何进展，刘备倒有趁机溜走的嫌疑，心里很不痛快，但也不便撕破脸，他只给刘备凑了四千人马，所要物资也都减半提供。
按说你没给别人办任何事，现在这些是人家白给的，已经很不错了，但刘备抓住把柄大做文章。据《魏书》说，刘备故意激怒手下的人说：“我替刘益州征讨强敌，历尽辛劳，不怕牺牲，但是他却吝惜钱财，有功不肯奖赏，还希望大家出死力作战，有这样的道理吗？”
张松、法正等人也抓住机会，作好了暗中与刘备配合的准备。张松的哥哥、广汉郡太守张肃知道了他们的密谋，害怕连累自己，于是向刘璋告发，刘璋下令把张松抓了起来，处斩。
刘璋同时命令川北各路驻军加强防范，不让刘备人马通过。刘备大怒，把白水关守军将领杨怀召来责斥一顿后杀了。刘备派黄忠、卓膺率兵进攻成都的刘璋，自己到白水关把驻军家属看起来作为人质。白水关的驻军很有战斗力，号为白水军，刘备手里握有白水军将士的家眷，不担心他们会叛乱，于是率白水军赶上黄忠、卓膺，占领了涪县。
刘璋派刘、冷苞、张任、邓贤等人领兵与刘备相拒于涪县，这几路人马都打了败仗，刘璋退保绵竹。后来他又派李严统率绵竹各军与刘备对抗，哪知李严一上战场就率众投降了。
这时，东边的濡须口会战已经结束，荆州的威胁也降低了，刘备派人通知诸葛亮，留下关羽守荆州，让他与张飞、赵云等人带兵溯江西上，先后攻占了白帝城、江州、江阳等地，刘璋最后退保成都以北的雒城（今四川广汉雒城镇）。
刘璋之子刘循以及张任、刘拼死守卫雒城，刘备围了一年之久，直到建安十九年（214年）雒城才被攻破。此战刘备也付出了惨重代价，他的军师中郎将庞统率众攻城，被流矢所中，不治身亡。
攻占雒城后，刘备进围成都。成都城池很坚固，雒城尚且守了一年，成都更不好打，但刘璋只守了几十天就开城投降了，原因是刘备那边来了个猛人。
这个人就是马超。建安十六年（211年）马超被曹操打败，后又被杨阜等人赶出了凉州，他只好跑到汉中的张鲁那里栖身，但张鲁对马超很有戒心。马超又跟张鲁手下的将领杨昂等合不来，心里很不痛快，听到刘备跟刘璋在益州交手，感觉是一个机会，就写信给刘备表示愿意转投他。
马超主动跳槽对刘备来说是意外之喜，他派人迎接马超，让他驻兵于成都城外。马超从张鲁那里跑出来时没带几个人，他新纳的妻子董氏、儿子马秋还在张鲁手里，他的爱将庞德也没有随行，总之来得很匆忙，或者说有点狼狈。
这一点刘备倒觉得无所谓，只要有马超的名气就够了。据《典略》说，刘备悄悄给马超增兵，就说是马超带过来的，让他们屯驻于成都城北，然后宣称马超带凉州兵前来助战。城内本来就信心不足，听说名将马超和勇猛异常的凉州军来了，斗志彻底瓦解，便开城投降了。
刘备攻克成都，举行了盛大的庆祝活动（置酒大会，飨食三军）。刘备宣布自任益州牧，下令把刘璋迁居于公安，让他挂个振威将军的名义，实际上是软禁起来了，这个振威将军曾经是曹操以献帝名义授予刘璋的，倒是合法的。
从建安十六年（211年）到建安十九年（214年），刘备用了三年时间占领了整个益州。到了这时，天下三分的局面也就初步形成了。