刘璋推举先主代理大司马，兼任司隶校尉；先主也推举刘璋代理镇西大将军，兼任益州牧 。刘璋为先主补增兵员，让他攻打张鲁，并使他督领白水关的兵马 。先主聚集各路兵马计三万多人，车甲兵械粮草物资甚为丰盛 。同年，刘璋回到成都 。
先主北上葭萌，但没有马上攻伐张鲁，而是广施恩德，笼络人心 。次年，曹操征讨孙权，孙权请先主前往救援 。先主派人告知刘璋：曹操征吴，东吴十分危急 。孙氏与我本为唇齿关系，而且乐进正与关羽在青泥相持，现在如不前往救援关羽，乐进定获全胜，进而转头侵犯益州，其忧患可比张鲁大多了 。张鲁不过是一个割据一方的贼寇，不必过于担忧 。
于是向刘璋请求拨给一万兵马和大批粮草物资，刘璋只答应增派四千人，其他东西也均只提供一半 。张松在给先主和法正的信中说：现在大事眼看即将成功，怎么可以舍之而去呢？
张松的哥哥张肃，害怕祸及自身，便向刘璋揭破了张松的密谋 。于是刘璋逮杀了张松，自是先主与刘璋结怨 。刘璋下令守关将领之文书不要再送达先主 。
先主大怒，召刘璋的白水关督军杨怀前来，责其无礼，将他斩首 。又令黄忠、卓膺领兵进击刘璋 。先主率军直奔关中，扣押益州将领和士卒的妻子儿女为人质，然后率军与黄忠、卓膺等向涪县进发，占据涪县城 。
刘璋派刘王贵、冷苞、张任、邓贤等到涪县抵御先主，全被击败，只得退守绵竹 。刘璋加派李严督管绵竹各军，李严率众投降了先主 。先主兵力更为强大，于是分派各将平定下属郡县，诸葛亮、张飞、赵云等领兵溯江而上，平定白帝、江州、江阳，只留关羽镇守荆州 。先主进军围攻雒县，其时守城者为刘璋之子刘循，被围攻将近一年 。
214年，先主攻破雒城，进军围攻成都数十日，刘璋出城投降 。蜀地物产富饶，百姓乐业安居，先主大摆筵席犒赏士卒，取蜀城金银分赐给将士，将谷物、布帛发放原主 。
先主兼任益州牧，以诸葛亮为辅佐，法正为谋士，关羽、张飞、马超为武将，许靖、糜竺、简雍为幕僚，其他如董和、黄权、李严等原是刘璋授用的官员，吴壹、费观等又是刘璋的姻亲，彭又为刘璋所排挤，刘巴为过去遭忌恨之人，先主均安排在显要的职位上，使他们充分发挥自己的才能，于是有志之士，竞相劝勉尽力 。
215年，孙权因先主已经取得益州，便派使者前来致意，想收回荆州 。先主说：待我得到凉州后，定把荆州还给你们 。孙权甚为懊恼，便派吕蒙袭夺长沙、零陵、桂阳三郡 。先主率领兵卒五万下抵公安，令关羽进驻益阳 。
这年，曹操平定汉中，张鲁逃往巴西 。先主闻讯，与孙权和解结盟，将荆州平分，江夏、长沙、桂阳归属东吴，南郡、零陵、武陵归属西蜀，然后领兵返还江州 。先主派黄权率军迎接张鲁，但张鲁已投降曹操 。曹操派夏侯渊、张郃驻军汉中，曹军屡次前犯骚扰巴西边界 。先主令张飞领兵进驻宕渠，与张郃等交战于瓦口一带，击败张郃等，张郃收兵退还南郑 。先主也回到成都 。
218年，先主率领众将进军汉中 。另派将军吴兰、雷铜等进入武都，他们都被曹军歼灭 。先主进兵阳平关，与夏侯渊、张郃等相持对抗 。
219年，先主自阳平关南下渡过沔水，沿着山势逐渐推进，在定军山、兴势山扎营 。夏侯渊率军前来争夺要地 。先主令黄忠依山势居高击鼓呐喊发起冲击，将夏侯渊军打得大败，并斩杀夏侯渊曹操委任的益州刺史赵等 。
曹操亲自从长安率领大队人马南征 。先主预测说：“虽说曹操亲自前来，也无力挽回战局，我们一定能够占领汉中 。待曹操到来，先主集结军队固守险地，始终不与曹军正面交锋，曹军累月攻打未能获胜，开小差的军卒却日益增多 。到夏天，曹操果然撤军北还，于是先主占有汉中 。

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