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庞统意外身亡，不仅让刘备蒙受了巨大损失，而且似乎也改变了刘备之前一帆风顺的局面，在此后围困雒城的战役中刘备频频受阻，使尽了各种办法，雒城仍然未能攻克。
刘备急了，赶紧写信给诸葛亮，让他火速率兵增援。
诸葛亮接到刘备来信是在建安十九年（214）五月，刘备信中作了大致的安排，诸葛亮走后荆州交由关羽镇守，诸葛亮率张飞、赵云等率部迅速开赴益州。
诸葛亮立即命张飞率一部人马先行，赵云率部与自己在后面跟进，两支人马约定在江州会合。诸葛亮留下马良、麋竺、麋芳、廖化等人协助关羽镇守荆州，之后随赵云所部一起沿长江而上，向益州进发。
这是诸葛亮第一次单独指挥数万人马的军事行动，这一年他34岁，正式职务仅是军师中郎将。论年龄，赵云、张飞都比他大；论职务，赵云和张飞也比诸葛亮高。但是刘备仍然把这支大军的指挥权交给了诸葛亮，这既是对他能力的充分肯定，也是对他的信任。
张飞在前面开路，首战巴东郡，将其故克。
再往前，一路顺利，直抵巴郡的郡治江州，在此却遇到了顽强抵抗。巴郡太守严颜一向反对引刘备入益州，经过一番激战，张飞攻破了江州，并将严颜生擒。不久，诸葛亮携赵云一行随后也赶到了江州，在这里稍作休整。
《太平寰宇记》里有一处记载，说江州附近有一山，高3里，约合今1000米左右，诸葛亮、张飞、赵云等入蜀至此，分定诸县，百姓用牛、酒犒劳大军，诸葛亮于是下令在此大会将士，此地由此得名为会军堂山。
之后，诸葛亮决定分兵三路向益州腹地进发：第一路由张飞率领，由垫江向北，收服巴西郡，之后折向西南，去德阳等待会合；第二路由赵云率领，继续沿长江而上，攻占江阳、犍为等战略要地，之后迂回至成都东南方向；第三路由自己率领，由江州直接西进，攻占德阳，与张飞会合后直赴成都。
巴西郡的郡治是阆中，即今四川省阆中；江阳即今四川省泸州，犍为是益州的一个郡，郡治武阳，即今四川省彭山；德阳属广汉郡，即今四川省遂宁。这些地方都是益州的战略要地，诸葛亮的战略是不急于去雒城支援刘备，而是先肃清成都外围，从南、北、东三个方向包围成都。
制订这样的作战计划，考虑的是刘璋的主力已被刘备吸引至雒城方向，撤不能撤，打不敢打，现在只要继续保持对雒城的压力，就可以腾出手来一一将其收服，到那时即使雒城仍不破，刘璋也无计可施。
雒城不破，缘于城池高大，易守难攻，而不在于攻城部队的多寡，现在几路人马即使全部云集于雒城，也未必能马上将其攻破。而且，即使攻破了雒城，益州各地的战略要地也要一一去占领，不如先做这些事。
诸葛亮还有一层考虑，那就是夺取成都的方式。如果成都是第二个雒城，麻烦就大了。雒城无关大局，成都却举足轻重，如果刘璋不肯投降，再围成都数月，攻守相还，死尸遍地，把城池打烂，有人逼急了再给城里放几把火，那成都即使拿下，也废了。
杀人总是凶事，攻城之日，如果死伤巨大，终不吉祥。
按照诸葛亮替刘备作出的规划，今后将以益州为根本，成都就是成就王业的基础，此城不能硬攻，最好让刘璋出城投降。现在三路分击的方案正是断绝刘璋的后路和希望，迫使他出降。
三路大军分头行动，进展都很顺利。
张飞一路进军巴西郡，严颜给了很大帮助，巴西郡功曹龚谌投降，巴西郡很快被占领。张飞按照之前与诸葛亮的约定，留下一部分人马防守，自己率部前往德阳与诸葛亮会合。
赵云也顺利地平定了江阳、武阳等地，之后向成都方向进军。
诸葛亮率部攻击德阳，遇到的抵抗最大。刘璋帐下司马张裔顽强抵抗，与诸葛亮战于德阳附近的柏下，经过激战，张裔被打败，退回成都。
张裔字君嗣，成都本地人。他是一名学者，长于《春秋》，博涉史籍，受到大名士许靖的赞赏。刘璋举荐他为孝廉，让他当县长，又任命他为帐下司马。这是个能文能武的人才，虽然被打败却给诸葛亮留下了深刻印象。张裔随刘璋投降后，诸葛亮对他刻意培养和重用。
诸葛亮率三路大军来增援并连连得手，让成都的刘璋坐卧不安。
原来还指望坚守一阵子让刘备知难而退，现在看来这一切都不可能了。
正在这时，刘璋收到了法正写给他的劝降信，法正在信中分析了形势，说刘备在益州已站稳了脚跟，退回去是不可能的，益州大半土地已失，雒城、成都都将不保，失败是迟早的事。通过这封信，刘备借法正之口向刘璋表明了态度，也就是他若肯降，可以保全其家族，希望刘璋三思。
司马光在《资治通鉴》中归纳法正的这封信，就是劝刘璋考虑一下，变换一下主人和客人的位置，以换取家族的安全。
这封信极大地动摇了刘璋顽抗到底的决心，但他内心还抱着最后一丝希望，希望奇迹出现，对于马上投降，他还不想。
这时已经是建安十九年（214）夏天，刘备攻破了雒城，率军进抵刘璋的最后一个堡垒成都。诸葛亮、张飞、赵云等各路人马也都完成既定任务，先后到达成都城外。
刘备突然接到报告，说名将马超前来投靠，刘备大喜，他知道这将是压垮刘璋的最后一根稻草。
汉末自黄巾民变起群雄纷纷起兵，涌现出一批可载入史籍的名将，经过30年的激荡沉浮，其间新旧代谢，许多人纷纷凋落，放眼天下，仍然健在又能称得上一流名将的已经没几人，马超无疑算一个。
马超字孟起，关中地区的扶风郡茂陵县人，凉州军阀马腾之子，投奔刘备的这一年他38岁。之前马超在关中之战中被曹操打败，跑到汉中投奔了张鲁，张鲁一度有把马超收为女婿的念头，后被人劝阻。
张鲁手下的大将杨昂与马超不合，另一位将领杨白也嫉妒马超的才能，都想害他。马超害怕，不敢在汉中待下去，遂从武都郡逃回氐中，在那里也无法立足，思来想去，天下之大，只有刘备有可能收留自己，于是辗转来到益州。
马超此行应该没带几个人，他在汉中新纳的妻子董氏以及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。
这一点刘备觉得无所谓，只要有马超的名气就够了。《三国志》注引《典略》说，刘备悄悄给马超增兵，对外说是马超带来的，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，斗志终于彻底瓦解了。
刘璋决定投降，他派张裔出城，作为自己的谈判代表去见刘备。刘璋的条件很简单，只要保证自己及一家人的安全，他愿意和平让出成都。
诸葛亮在城外第一次见到了张裔，之前柏下一战，让诸葛亮记住了他的名字，对于如何发现和培养益州本地人才，在他的脑海里已经作为一项重要任务而存在。
刘备很高兴，强攻只能把成都打烂，尸横遍野只能在士民中增加仇恨，他更看重益州的未来，对于刘璋提出的条件他都答应，他向张裔表示，只要刘璋出城投降，一定会给予他充分尊重并作出适当安排（礼其君而安其人）。
为表示诚意，刘备命简雍随张裔一道进城，向刘璋当面重申自己的承诺。
简雍在刘备手下，在重大决策中发挥的作用一般，但他风度翩翩，谈吐不凡，很适合担任大使这一类的角色。
刘璋见到简雍，悬着的心放下了一半，他下令即刻出城，向刘备请降。
刘璋请简雍与自己同乘一车（璋遂与雍同舆而载）出城，刘璋的手下们见此情景，不禁流下泪来（群下莫不流涕）。
刘备兑现了自己的承诺，把刘璋及其家人迁往南郡的公安居住，归还其财物，其中包括振威将军的印绶。振威将军是曹操以汉献帝名义任命刘璋的职务，刘备归还其印绶，意思是承认他仍然挂着振威将军的头衔。
自建安十六年（211）底进入益州，到建安十九年（214）夏天将成都攻破，历时近三年，刘备终于如愿以偿地得到了益州。
刘备的大军进了城，有人欢喜有人忧。那些本来就亲刘备的人，或者与法正、孟达等人一向交好的，也都盼着刘备早点进城。还有一部分人抱着无所谓的心态，老板随时换，干活还得他们这些人，谁来掌管益州，对他们来说其实无所谓。
也有吓得要命的，比如那些说过刘备坏话的，或者在与刘备交战中比较卖力的，都担心刘备会秋后算账，其中，刘巴就是最紧张的一个。
《零陵先贤传》记载，刘备大军进城，刘巴对外宣称自己有病，闭门不出。刘备和诸葛亮也没有忘记这个老朋友，刘备专门向军中下达命令，谁都不得找刘巴的麻烦，有违抗的诛其三族。
刘巴最后还是见到了刘备，刘备甚喜。