建安十六年（公元211年）刘备先到江州，再由垫江水到达涪县。当时刘备的军队距离成都只有三百六十里，刘璋则率领步骑三万多人前往涪县与刘备会和。
张松暗中派法正去告诉刘备说：“可以借这次会面的机会抓住刘璋，这样便可以不费一兵一卒便可平定益州。”旁边的军师中郎将庞统也很认可这个方案。而作为领导的刘备却一票否决了这个方案，他说：“我们这才刚到蜀地，还没树立恩信就夺人疆土，也太过仓促了吧！到时会惹众怒的。”就这样，刘备、刘璋两个集团经过商议，在北击张鲁，共抗曹操方面达成共识。
双方欢聚畅饮百余日后，刘璋又供给刘备许多军需，派他去讨伐汉中的张鲁。据《吴书》记载：“璋以米二十万斛，骑千匹，车千乘，缯絮锦帛，以资送刘备。”后又让刘备统帅白水关的驻军，兵力合并各路军队共有三万人，车辆铠甲兵器资助都很充分。
按照约定后，刘璋回到成都听候刘备的佳音，刘备则北上讨伐张鲁，但是刘备的大军到达葭萌后便停滞不前了。他没有立刻去讨伐张鲁，而是在当地广施恩德，争取民心。在当地呆了一年之久也没有任何攻打张鲁的行动。庞统觉得这不是长久之计，认为时间拖得越久，越容易引起刘璋等人的怀疑，于是对刘备说：“主公，这样下去不是办法啊！我这里有上、中、下三条计策，任你挑选。如果再继续犹豫不前，大家迟早都会陷入危险之中，真的不能拖延下去了。”
上策：暗中挑选精兵，昼夜兼程去偷袭成都，刘璋这家话是个怂逼，又没有对我们有所防备，成都可以一举而定。
中策：杨怀、高沛是刘璋手下的名将，他们依靠手中所拥有精锐部队据守关头，我听说他们曾几次写信劝刘璋，把你干回荆州。我们可以在在到达白水关之前，先派人通知他们，就说荆州形势有变，要回去救援，并做出回撤的样子。杨怀、高沛二人既敬服你的威名又高兴您能回去，一定会轻装前来拜访您，我们可以趁这机会将他们抓起来杀死，然后收编他的军队再进击成都。
下策：我军退还白帝城，返回到荆州，日后再想办法攻取益州。”刘备反复思考，认为真打张鲁是不可能的，退兵更是不可能的，于是就选择了庞统的中策。
在这里庞统的上策是出其不意，攻其不备，时间最短但是风险也是最大。刘备想要派遣一小股部队从葭萌到达成都，中途需要经过涪县、绵竹、洛城几个重要据点，要想不被对方发现实属困难。万一被发现，刘备集团就要面临前有固城后有追兵的困境。中策比较稳妥，既能稳定自己的大后方又能增强自己的兵力，可谓一举两得。不过刘备将会花费大量的时间和付出比较大的代价，因为这样做就等于向刘璋集团公开宣战，也就这让刘璋有了应对的时间。而下策根本不在刘备他们的选择范围之内，撤回白帝城就等于刘备集团这两年的努力白费掉，占据益州将会遥遥无期。
建安十七年（公元212年）曹操再次攻打孙权，孙权急忙向刘备请求救援，于是刘备便趁机实行庞统的中策。据《三国志 先主传》记载，刘备派遣使者告诉刘璋说：“曹阿瞒现在正攻打孙权，东吴形势现在很是危险。孙氏于我的关系是唇齿相依，加上魏将乐进于青泥与我弟关羽相持不下，如果我不去救援，乐进一定会打赢的。万一他们转而进犯益州，那么益州面临的敌人将会比张鲁厉害多倍，那个张鲁不过是个不成气候的山贼，不值得我们如此担忧。”顺便又向刘璋要求增拔一万多士卒，以及一批军需物资。
刘璋就算智商再低，现在也知道刘备在耍他，心想这家伙不会是来我益州骗吃骗喝的吧。因此，只给刘备增拨四千名士兵，其他物资也全部只给一半。然而，这一切都正中刘备的下怀。据《魏书》记载，刘备借此激怒部下说：“我们从荆州远到这里，替益州征讨强敌，大军辛苦劳累，不能过安生日子。可如今刘璋府库积累着大量财富却舍不得奖励有功的将士，还奢望士大夫替他苦战，真是太过分了。”
然而，刘备千算万算，还是把成都里的张松给算漏了。张松不知道刘备的计策，以为刘备军是真撤退，于是连忙写信劝他留下，结果被他的哥哥张肃知道。这个亲哥哥害怕弟弟会连累自己，竟向刘璋告发了此事。
刘璋这时候才恍然大悟：原来刘备入蜀从一开始就是一场阴谋。他生气之下，一方面将内奸张松杀掉，一方面下令成守白水关的诸将不要给刘备送文书，也不要与刘备有任何联络通信。刘备知道后非常生气，他“召璋白水军督杨怀，责以无礼，斩之”。两人自此彻底撕破脸皮。
刘备派出黄忠、卓膺统兵攻占来涪县。攻下涪县后的刘备志得意满，开始大宴群臣，似乎没有了一开始时那种信义的束缚了，他对庞统说：“今天这场宴会真是快乐致极。”庞统却在旁边冷不丁地泼了一盆冷水说道：“把讨伐别国的行为当作快乐，不是仁者之兵。”场面顿时陷入一片尴尬，所有官员都被旁听的一句话搞懵逼了。刘备对此非常生气，他说：“周武王讨伐商纣王，前歌后舞，难道也不是仁义之师吗？你这话说的不对，赶快给我滚出去。”庞统没作任何辩解，直接就起身退了出去。过一会儿，刘备就后悔了，于是又厚着脸皮硬把庞统请了回来。庞统回到原来的位置上坐下，既不看刘备，也不道歉，只顾着自己吃喝。场面又一度十分尴尬。
刘备为了“活跃气氛”对庞统说道：“刚才我们的争论，到底是谁的过失？”庞统说：“你我君臣都有过失。”刘备听后哈哈大笑，酒宴终于恢复到原来欢乐的气氛。
刘备的错是之前拿着仁义的标准来衡量自己的行为，导致做什么事都放不开手脚。而庞统的错就是拿刘备之前的标准来衡量此时正在讨伐益州的刘备。那话虽然是出自庞统之口，但观点却来自刘备。庞统说自己也有错，其实是否定刘备之前那套以信义为做事标准的价值观。因此归根解底还是刘备的错。刘备也明白庞统的良苦用心，虚心接受批评。日后刘备做事终于可以放开手脚，不必再顾及自己的行为是否符合自己的那套标准。
建安十八年（公元213年），刘璋派出将刘璝、冷苞、张任、邓贤、吴懿等前去抵御刘备，结果都被刘备打败。他们不得不退守绵竹，其中吴懿率军投降了刘备。刘璋又派护军南阳的李严和江夏的费观去统兵驻守绵竹的各路兵马，结果他们俩直接率部投敌，这使得刘备的势力一下子变得十分强大。
刘备派军队占领周围的郡县，还把刘璋的儿子刘循围困在雒城，就当刘备以为会一路顺风地打下去之时，上天却立刻给了他当头一棒。在围攻雒城战中，庞统被流失射中而死，时年36岁。刘备对庞统的死感到非常悲痛和惋惜，每次提起庞统的名字就忍不住流泪。
当时南阳的张存向来不服庞统，他说：“庞统虽然尽忠可惜，但是他违背大雅之义。”旁边的刘备一听，勃然大怒地说道：“庞军师已经杀身成仁，你还一边说他风凉话。”于是，立刻便罢免了张存的官职。
平定益州后，刘备又为了表彰庞统的功勋，追赐庞统为关内侯。还任命庞统的父亲为议郎，后升任谏议大夫，就连诸葛丞相见了都要行跪之礼。
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