宋军乘隙而动，“假途灭虢”，并灭荆、湖的胜利，不仅振奋了宋军的斗志，而且使北宋势力伸入长江以南，占领长江中游战略要地，切断了后蜀和南唐两大割据势力之间的联系，从而为尔后入川灭蜀，进军岭南和东灭南唐创造了有利条件。

北宋占领荆、湖后，后蜀东北两面处在北宋的瞰制之下。于是赵匡胤开始谋划攻蜀事宜。派人勘察川陕地形，以备由陆路攻蜀；同时修造战船，训练水军，以备由水路溯江入蜀。

这时，后蜀也感到了宋军的威胁。蜀主孟昶采纳掌握军政大权的知枢密院事王昭远的建议，决定严兵拒守，以抗宋军。当时北宋东临三峡，北控陇右和秦岭各隘。于是后蜀一面派兵东屯三峡，另一面派人约北汉同时举兵夹攻宋朝。哪知派出的使者中途投宋，向赵匡胤密报了后蜀实情，并绘呈后蜀山川形势和兵力分布图。正欲伺机攻蜀的赵匡胤，以此为借口，于乾德二年十一月初二，发兵两路攻蜀：北路以王全斌、崔彦进、王仁赡等率步骑3万出凤州，沿嘉陵江南下；东路以刘光义、曹彬等率步骑2万出归州（今湖北秭归），溯长江西上，两路分进合击，会师成都。孟昶得知宋师来攻，命王昭远、赵崇韬率兵3万自成都北上，扼守广元、剑门等关隘；韩保贞、李进率部数万驻守兴元（今陕西汉中），以为配合。乾德二年十二月中旬，北路宋军攻入蜀境，所向皆捷，连克兴州（今陕西略阳）、兴元，在西县（今陕西勉县西）将韩保贞击败，然后乘胜追击，俘韩保贞、李进，越过三泉（今勉县西南），直抵嘉川（今四川广元东北）。蜀军烧绝栈道，退保葭萌（今广元西北）。这时王昭远、赵崇韬率军屯驻利州（治所今广元），派兵于大、小漫天寨（今利州城北）立寨而守。利州在嘉陵江东岸，群山环绕，形势险峻，是入蜀的咽喉要路。因栈道断绝，宋军被阻难以直进。王全斌遂率主力向嘉川东南的罗川小路迂回南进，由崔彦进率军一部赶修栈道，进克小漫天寨，然后会攻利州。宋军如计而行，破小漫天寨，蜀军退保大漫天寨。不数日，王、崔两部会师，分兵三部夹攻大漫天寨。蜀军连战皆败，王昭远弃城渡江退保剑门（今四川剑阁东北），宋军于十二月三十日占领利州。乾德三年正月，孟昶见形势危急，命太子元喆为元帅率兵万余增援剑门。剑门凭高据险，是屏障成都的重险。

此时宋北路军自利州直趋剑门，进占益光（今四川昭化）。王全斌分兵一部由剑门东南的来苏小路，绕至剑门之南，断其后路，自率精锐从正面进攻。王昭远处置失当，仅以偏师守剑门，自率大军退守汉源坡（今剑阁东北）。宋军前后夹击，迅速攻占剑门，并向汉源坡挺进。蜀军未战即溃，宋军乘胜进击，擒俘王昭远，占领剑州（今四川剑阁）。

正月初，进至绵州（今四川绵州东）的元喆听到剑门已失，仓皇逃回成都。东路宋军的进展也很顺利。十二月下旬刘光义等攻入巫峡，夺取夔州浮梁，进兵至白帝城西，击破蜀夔州守军，占领夔州，打开了由长江入蜀的大门。宋军自夔州沿江西上，势如破竹，蜀沿途守军皆不战而降，刘光义、曹彬率军顺利西进。正月初，北路宋军直逼成都城下，东路宋军也接踵而至。

正月初七，孟昶见大势已去，被迫向王全斌投降，后蜀至此灭亡。