令其督率白水军，北上征讨张鲁，并馈赠米二十万斛、战马千匹、车辆千乘，以及缯絮锦帛无数，礼遇极厚。
刘备率军北上至葭萌关，却停驻不前，不再进兵攻打张鲁，反而广施恩德、抚慰吏民，全力收买人心，为日后取蜀暗中布局。
建安十七年（公元212年），曹操再度南征孙权，孙权向刘备求援。刘备趁机遣使告知刘璋：“曹公征吴，江东危急，孙氏与我本为唇齿相依；且曹军乐进又在青泥与关羽相持，若不前往救援，乐进必定大胜，转而侵掠益州边境，此忧患远甚于张鲁。张鲁不过是只求自守的贼寇，不足为虑。”刘备以此为由，向刘璋请求东归，并请求再拨一万兵马及相应物资。刘璋心中不悦，只同意给兵四千，其余物资皆减半拨付。
刘备借此机会激怒部众，愤然道：“我为益州征讨强敌，将士辛劳奔波，不得安宁。如今益州府库充盈、财帛堆积，却吝于赏赐有功之人，还指望士大夫们拼死力战，岂能如愿！”
此时张松不知刘备用意，暗中写信给刘备与法正：“如今大事即将功成，为何舍此而去！”其兄张肃害怕大祸牵连自身，向刘璋告发了全部密谋。刘璋震怒，当即收捕张松并将其处死。刘备得知后，叹息道：“是君杀我内应啊！”刘璋与刘备之间，彻底决裂。刘璋下令边关守将，文书不再与刘备相通，拒绝放行。刘备大怒，依庞统之计，召白水军将领杨怀前来，以无礼慢上之罪将其斩杀，吞并其部众。随即派黄忠、卓膺率军南下，反击刘璋，一举占领涪城。梓潼县令王连闭城坚守，刘备敬佩其忠义，不愿强行攻打。
建安十八年（公元213年），刘璋派遣刘璝、泠苞、张任、邓贤、吴懿等将在涪城一线阻击刘备，皆被刘备大败，吴懿率部归降。刘璋又派李严、费观督率绵竹诸军抵御，李严见大势已去，亦率众投降。刘备军力更加强盛，分兵平定沿途各县，同时传令诸葛亮、张飞、赵云等率军从荆州入川，两路夹击益州。
刘璝、张任退守雒城，与刘璋之子刘循一同坚守。刘备挥军攻城，张任出兵在雁桥迎战，兵败被擒，宁死不降，被刘备斩杀。刘循遂紧闭城门，死守不出。攻城之际，庞统不幸被流矢射中，殒命于雒城之下，一代谋士，壮志未酬身先死。
建安十九年（公元214年）夏，刘备历经苦战，终于攻克雒城，随即与诸葛亮、张飞、赵云等会师，合围成都。此时刘备又派建宁督邮李恢前往游说马超，马超归降后，刘备命其率军屯驻城北，成都城内顿时人心震恐、上下惶惶。
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