看到刘备要走，张松就着急了，写信给刘备和法正劝他们不要离开，而应该趁机攻取益州。此事被其兄广汉太守张肃获知，张肃害怕祸及自己，就告发了张松。刘璋大怒，诛杀了张松，与刘备也就彻底闹翻了脸。至此，一直被蒙在鼓里的刘璋，才彻底明白了刘备入川的真实用意，但为时已晚。刘备依照庞统的计谋，召见白水军总督杨怀并将其斩杀，吞并了他的部队。
而且到达白水关内把众将和兵士的妻子全部扣押作为人质，接着派遣黄忠、卓膺率军南下进攻刘璋，打了刘璋一个措手不及，很快占领了涪城。占据涪城之后，大宴众将。刘备有些得意忘形，喝着喝着，就与庞统闹呛了，心生嫌隙。建安十八年（213年），刘璋连续派遣刘璝、冷苞、张任、邓贤等人在涪城阻击刘备，但都被打败，只得退守绵竹。
刘璋又派李严统帅绵竹诸军阻击刘备，但李严却转风使舵，率众投降。此消彼长，刘备的势力更加强盛，于是分兵平定了附近各县。刘璋部将张任、刘璋之子刘循只得退守雒城。刘备率军围困雒城，张任出击被刘备斩杀，刘循遂坚守不出。庞统率军攻打雒城，被流矢所中战死城下。刘备围困了雒城将近一年，才最终攻克。同时，刘备调遣诸葛亮、张飞、赵云等率军进蜀协助作战。
建安十九年（214年），刘备与诸葛亮等会师成都城下，一起围困成都。当时西凉马超被曹操的离间计战败，投靠了张鲁。但张鲁只求自保，没有进取精神，马超大失所望。刘备趁机派建宁督邮李恢说降了马超。建安二十年（215年），马超率兵归附刘备。马超屯兵城北，一起围困成都，一时城中震恐。刘璋四面受敌，不得已接受了刘备派遣的使者简雍的劝降，举城投降。
刘备遂兼领益州牧，进而占据了益州。整个过程，尽管没有遇到很大的挫折，但也不是十分顺利。关键还是刘璋威信已失，众将叛离，失去了掌控力；加之曹操平定凉州，没能斩草除根，把马超这个死对头赶到了刘备一边。最后在诸葛亮、张飞、赵云等的合围之下，刘璋缴械投降。刘备尽管是取得了益州，但其野心也随之暴露出来，其“仁德之君”的声誉也受到了影响。
曹操南征为什么不先渡江然后陆战攻城？
其实这是一个军事与地理相结合的问题，按照传统的观念来说，北方善步骑，南方善舟船，曹操完全可以渡过长江，像当年袁绍渡过黄河在黄河以南曹操的地盘上发动官渡之战一样，在荆南四郡对孙权或刘备发动进攻，为何曹操不用呢？这是两个问题，一个是军事问题，一个是地理问题，两个问题又互相结合。曹操从军事角度上讲，如果渡江作战，也不是不可能，但是要保证自己的战略运输线和后勤补给线，那个时候的长江，可没有一座桥，渡江只能靠船只运输，渡过长江并不难，难的是如何保证自己的战略运输线和后勤补给线不受到敌人的攻击。
而想要保证运输线和补给线的绝对安全，还得靠水军，也就是制水权，谁有制水权，谁就能控制长江，谁控制了长江，谁就能赢得战争的胜利，如果曹操控制长江，他就有能力渡江作战，如果孙权和刘备控制了长江，那么曹操在长江以南的所有军队就变成了孤军，没有补给，没有后勤，只能就地取材，但长江以南没有支撑大规模战争的物资和补给，一旦被孙刘联军切断了长江，长江以南的曹军基本上就会全军覆没。
长江与黄河水路荆州刘琮投降曹操后，实际上长江以南的荆南四郡在名义上是全部归属曹操的，曹操其实是有条件渡过长江，在南方对孙权进行攻击的，但是这个办法所花费的时间会很长，因为最快拿下刘备和孙权的方法就是沿着长江用水军出击，这是攻击刘备和孙权在时间上最快的办法。因为刘备和孙权把几乎所有的防御力量都放在了长江沿线，对于曹操来说，只要击败了这些长江边上的防御力量，刘备和孙权基本上就会被消灭，原来曹操南下攻打荆州是做了长远打算的，谁知道荆州不战而降，这让曹操产生了骄傲轻敌的思想，贾诩和程昱都有劝曹操暂缓发动赤壁之战的建议，但曹操都不听，因为只要击败了刘备和孙权在长江沿岸的军事力量，就能加快曹操统一天下的步伐，更何况此时曹操的军事力量占了绝对的优势。
孙权、曹操、刘备从军事力量的数量和实力上来看，曹操远胜孙刘联军的数倍，占尽了天时、地利、人和，换了谁都会选择与孙刘联军主力在长江决战，然后在最短的时间内击败孙权和刘备，就能迅速统一整个南方，所以从军事的角度来看，曹操选择不渡江作战，而是沿江作战，但同时在长江北岸，曹操仍然有陆军跟随的。从地理角度来看，曹操不能渡江作战的唯一原因就是长江。
