宋太祖于乾德元年（963年）三月平定长江中游战略要地荆南、湖南之后，立即部署攻灭后蜀的准备。四月，先任命华州团练使张晖为凤州团练使兼西面行营巡检壕寨使，勘察川陕地形；同时，又在开封城南急造楼船，训练水军（号水虎捷）；命西南面转运使筹措军粮物资，并命诸州赶造山地轻车，以备攻战之用。
割据四川的后蜀政权虽在五代末遭到后周军队的沉重打击，被迫从关中西部地区南撤，但仍据有两川、汉中（今属陕西）45州，具有相当实力，可算是宋太祖进行统一战争中的一个强敌。不过，后蜀国主孟昶却疏于国事，追求奢侈荒淫生活，使后蜀政治颇为混乱。此时得知宋军攻占了荆湖地区，后蜀君臣十分惊恐，宰相李昊主张与宋通好纳贡，令宋朝没有出兵四川的借口，作为保全后蜀偏安之策，但遭到知枢密院使王昭远的坚决反对。孟昶即位之初，曾专门组建一支用于与后周作战的部队，因后周世宗姓柴，便为此支部队取名叫“破柴都”，并积极联络南唐、北汉，试图逐鹿中原，夺得关中地区。此计划虽然由于多种原因未能成功，孟昶自己也渐渐消磨了逐鹿中原的雄心，但要他主动向宋朝臣服，却还是心中一万个不乐意，于是他决计依托四川险要地势，派兵据守要隘。古代从中原地区进入四川之大路，主要有北线和东线两条。北线自关中平原南越秦岭进入汉中、川北地区，再经过剑门险关深入四川腹地，直逼成都。自古以来，中原政权兵取四川，大都走此路，如三国时钟会、邓艾统军灭蜀汉，五代后唐军灭前蜀政权等就是。东线指由鄂西经三峡进入东川，因沿长江溯流而上，不善水战的中原军队作战颇为困难，故取此路进攻四川的情况较少。因此，后蜀也主要在北线设置重兵防御，而东线因隔着弱小的荆南割据政权，不与中原政权直接对抗，故防备较弱。但此时宋军占领了荆南，使后蜀的东部地区也置于宋军的瞰视之下，后蜀便遣军永屯三峡地区，并在涪州（今重庆涪陵）、泸州（今属四川）和戎州（今四川宜宾）一带训练水军，沿长江层层设置防线。
按理说，蜀弱宋强，后蜀应当谨守边界，尽量与宋和睦相处，而避免给一意欲攻灭后蜀的宋廷有开战的口实。但执掌后蜀军政大权的王昭远却是个不知天高地厚的狂妄之徒，因此有献媚者对他说：“公平素无尺寸之功，现今位居显贵，如不能建立不世之功业，怎能让人心服？不如遣使通好北汉，劝说其发兵南下，我亦自黄花谷、子午谷北上出兵响应，使宋人腹背受敌，则关中之地将属我所有。”王昭远闻言大喜，于乾德二年（964年）十月力劝孟昶派遣使臣孙遇等人携带蜡书（密信），化装潜入宋境，企图北上太原与北汉联络，相约南北同时发兵攻宋。不料随从孙遇的后蜀军校赵彦韬于途中叛蜀投宋，将孟昶给北汉的蜡书交给了宋廷。
当时，宋太祖已不断派遣间谍深入川中侦察，并根据谍报所得情报绘制了详细的后蜀全境地图。有一次，宋太祖亲自接见由川中归来的间谍，问道：“蜀中有什么奇怪之事？”那人回答：“满成都城内都在吟诵朱长山之《苦热》诗，曰：‘烦暑郁蒸无处避，凉风清冷几时来。’”宋太祖一听就笑道：“此是蜀中百姓想我去讨伐邪佞。”因此，当宋太祖一旦截获了后蜀给北汉的蜡书后，立即开怀大笑说：“我西讨有名矣。”当然，宋太祖要出兵伐后蜀，总能找到借口，就是毫无借口，要出兵谁又能说个不字。此后宋军进攻南唐，南唐遣使来诉说自己侍奉宋朝未有失礼处，意即宋朝不当遣军攻灭南唐。没有借口可寻的宋太祖便干脆以“卧榻之侧，岂容他人酣睡”作答，即为例证。但如有借口，宋太祖还是很乐意抓住的。毕竟古代圣人曾有过“名不正则言不顺，言不顺则事不成”的古训嘛。宋太祖根据赵彦韬的告密，抓住后蜀密使孙遇等人，以赦免其罪为交换条件，逼迫孙遇将后蜀境内山川地形、戍守处所和道路远近方位等一一注明在自己绘制的后蜀地图上，并由此制定了详细的进军路线和周密的作战方略。
是年十一月，宋太祖以后蜀主孟昶勾结北汉共谋犯宋为理由，发兵近六万，分北、东两路西讨：北路以忠武节度使王全斌为西川行营凤州路都部署，侍卫步军都指挥使崔彦进为副都部署，枢密副使王仁瞻为都监，统率步骑禁军二万、诸州兵万余人，自凤州（今陕西凤县东）沿嘉陵江南下；东路以侍卫马军都指挥使刘光义为西川行营归州路副都部署，枢密承旨曹彬为都监，统领步骑两万，自归州溯长江西上。两路宋军分进合击，约期会攻成都，灭亡后蜀。同时，宋太祖又命令在京城右掖门南临汴水的河畔为孟昶修建一座住宅，大小房屋共有五百余间，日常生活用具一应俱全，以便孟昶投降来京城时居住。宋太祖在此是一种心理战，以示此去征讨后蜀必胜。
次日，宋太祖特在崇德殿上为出征诸将设宴饯行，分别将四川地图等授予王全斌等人，并故意问道：“西川能取得否？”那些勇将本就十分小觑后蜀军队，现听得天子如此激将，自然意气风发地宣称：“西川若在天上，固然不能到；若在地上，到即扫平矣。”天子大喜，就授予他们禁军方略，并说：那些西川将士大多为五代后唐时期去四川的北方人，可告诉他们当弃暗投明，如若能为宋军做向导，提供粮草食物者，或率众来降者，定当赏赐优厚。并叮嘱东路主帅刘光义说：“蜀军在夔州（今重庆奉节东）设有锁江浮桥，守备严密，必须先夺取浮桥，再水陆夹击，才能成功。”同时他又严厉告诫三军将士不得“焚荡庐舍，驱略吏民”，违者必军法从事。最后，宋太祖又勉励诸将说：“凡是攻克城寨，只要把军器盔甲和粮草登录在册，所有钱帛财物全部赏赐战士，朕所欲取得者仅土地而已。”宋太祖之意是想用恩威并施之法，激励将士全力进攻，以获取更多的经济利益。不料想那些将士一心要抢夺财物，造成军纪大坏，最终激起民变，花费了很大的力气才得以平息。此后，宋太祖在攻灭其他割据政权如南唐时，汲取教训，再也不敢下达这样的命令了。
后蜀主闻知宋军大举来攻，立即调兵北上扼守剑门险道，以王昭远为北面行营都统，大将赵崇韬为都监，领兵3万由成都北上，扼守利州（今四川广元）、剑门（今四川剑阁东北）一线关隘；节度使韩保正为招讨使、李进为副招讨使，率数万兵赴兴元（今陕西汉中东），以加强北面防御。王昭远志大才疏，自恃读过不少兵书，以为是诸葛孔明再世，临行前，对前来郊外送行的宰相李昊夸下海口说：“吾手下有此二三万雕面恶少儿（脸上刺字的强悍士卒），取中原如反掌尔！”随后趾高气扬地率将士出发了。
十二月初，宋北路军进入后蜀境内，旗开得胜，于是月中旬攻克兴州（今陕西略阳）外围各据点，乾渠渡、万仞、燕子等兵寨相继落入宋军之手。十九日，宋军攻下兴州，败蜀军七千人，缴获军粮四十多万斛；随即又乘胜进军，连克鱼关、白水军等二十余寨。后蜀招讨使韩保正闻兴州失陷，亦放弃兴元城，进保西县（今陕西勉县西老城）。宋军先锋将史延德率兵尾追而至，韩保正不敢迎击，命部下于三泉（今陕西宁强西北阳平关）依山背城，结阵自固。史延德挥军直进，蜀军溃逃，韩保正及后蜀招讨副使李进等被擒，缴获粮食三十余万斛，并追击蜀军溃兵至嘉川（今四川旺苍西南嘉川镇），蜀军伤亡惨重，余部遂退保葭荫（今四川广元南），烧毁栈道，以阻截宋军南下。
王昭远所率蜀军主力驻扎于利州，并遣偏师在城北的大、小漫天寨立寨扼守，利州城位于嘉陵江东岸，群山环立，形势险峻，为自关中入蜀的咽喉要塞。因栈道断绝，宋军前进受阻，王全斌采纳部将康延泽的建议，遂命崔彦进率一部兵力抢修栈道，进克小漫天寨；自率主力从嘉川东南之罗川小路迂回前进，夹攻利州。数日后，两部宋军会合于大、小漫天寨之间的嘉陵江渡口深渡，突破嘉陵江蜀军防线，将后蜀军逼退至大漫天寨（今四川广元东北漫天岭）。王全斌分兵三路夹攻大漫天寨。蜀兵精锐在王昭远、赵崇韬的指挥下竭力反扑，但三战皆败。王昭远被迫放弃利州城，仓皇逃过桔柏江，烧毁桥梁，退保剑门，企图依凭剑门关天险进行抵抗。十二月三十日，宋军占领利州城。
王全斌的辉煌战绩报到京城时，正逢冬雪纷飞，宋太祖在讲武殿中用毛毡围了一小间，身穿紫貂裘、帽，在批阅战报后十分高兴，忽然对左右侍从说道：“我衣帽穿戴如此，尚且感觉寒冷，西征将帅冲寒犯霜，何堪居处？”即刻脱下衣裘，特命侍从快马送至前线赐给王全斌，并传话说“不能遍及诸将”。宋太祖作秀做得如此明白，王全斌自然是感动得涕泪纵横，誓言要用更大的胜利来报答皇恩浩荡。
乾德三年（965年）正月，蜀后主孟昶见蜀军节节败退，情况危急，十分震恐，忙命太子孟玄喆为元帅，统领万余兵马增援剑门。但临危授命的孟玄喆素来不知兵事，却公子哥儿的派头十足，军中旌旗都用彩色刺绣，旗杆上缠绕着蜀锦。但临出发前，忽然天降大雨，孟玄喆担心绣旗被雨水淋湿不好看，就下令把旗子全拆下，一会儿雨过天晴，又下令旗子系上，一不小心，不少绣旗都挂倒了，引得沿途观看的市民无不窃笑。而孟玄喆根本不管，还带着成群姬妾和数十个优伶戏子同行，一路上游山玩水，日夜嬉戏，却置日趋紧急的战事于不顾。
此时宋军已进占了益光（今四川广元西南昭化镇），直向剑门挺进。剑门天险形势险峻，易守难攻，自古即有“一夫荷戈，万夫莫前”之称。王全斌遂与部将商议后，决定命先锋将史延德率奇兵翻越峻岭，经来苏（今四川剑阁东）小路渡江迂回至剑门以南20里的清强店，与主力南北夹击驻守剑门的蜀军。蜀兵完全没有料到宋军会出现在剑门关南，纷纷弃寨而走。王昭远闻知惊惧，只留下偏将守剑门，自引兵退守汉源坡（今四川剑阁东），等待援兵。王全斌率精锐从正面猛攻剑门，守关蜀兵一哄而散。宋军进迫汉源坡，王昭远惊慌失措，坐在胡床（一种可折叠的轻便坐具）上站不起来，赵崇韬跃马率军布阵迎击。但蜀军军心已散，刚一接战，就纷纷溃散，赵崇韬兵败被擒，宋军乘胜占领剑州城（今四川剑阁），歼蜀军万余人。王昭远免胄弃甲，逃到东川（今四川二台），躲在一家百姓的仓库中，悲叹流泪，双目红肿，口中只是反复念诵唐代诗人罗隐的诗句：“远去英雄不自由。”丝毫不见他在出征之初，手挥如意，自比诸葛亮的那个潇洒模样。没过多久，王昭远就被尾追而来的宋军士兵所擒获。
统兵增援的太子孟玄喆此时才进至绵州（今四川绵阳），听到剑门天险已失，即仓皇逃回成都，沿途焚烧房屋，实行所谓的焦土抗战之策。但宋军根本不受影响，在王全斌指挥下，自剑门而下，如入无人之境，迅速迫近成都城。
东路宋军也连克川东各州军，直指成都城而来。东路宋军在刘光义统领下，自归州溯江而上，连破三会（今重庆巫山东北）、巫山（今重庆巫山东）等蜀军营寨，歼灭后蜀水、步军1万余人，缴获战船200余艘，逼近川东重镇夔州。夔州人称“巴蜀之喉吭”，是由长江入蜀之门户。当时蜀军已在此江面上架浮桥锁扛，置三重木栅，并夹江列炮，严密封锁。刘光义针对蜀军锁江设防，水强陆弱的弱点，按照出征前宋太祖面授的避强击弱战法，在距蜀军水面设防处30里外弃船登岸，以步、骑兵突袭，先摧毁沿岸炮台，然后水陆配合，攻破蜀军防线，一举夺占其锁江浮桥，然后牵船而上，进围夔州。后蜀宁江节度使高彦俦见宋军兵临城下，主张坚壁固守，不宜速战，而监军武守谦不从，独领部下千余人出战，大败。宋军前锋乘胜登城，刘光义率大军继至，高彦俦兵败自杀，夔州遂陷。此后宋军势如破竹，连克万州（今属重庆）、开州（今重庆开县）、忠州（今重庆忠县）、遂州（今四川遂宁）等地，从东面迫近成都城。
前方兵败消息不断传来，惊骇失措的孟昶赶忙召集左右臣僚问计。孟昶深知后蜀政治不稳，将帅战守无方，军无斗志，只得哀叹其“父子养兵四十年，一旦临阵，却不能向敌放一箭。今日登城坚守，谁又肯效死出力？”宰相李昊便劝他出降，孟昶见大势已去，便让李昊起草降表，于七日遣使臣向直逼成都城下的宋军投降。因当年前蜀灭亡之时，也由李昊起草降表，所以有人就在李昊家的大门上书写“世修降表李家”六个大字，当时传为笑谈。
后蜀政权建立于五代后唐同光三年（925年），至此灭亡，立国近40年。准备十分充分的宋军从出师到灭后蜀，前后只用了66天，共得巴蜀四16州240县以及53万余户。
孟昶率家人与僚属，在宋军押送下，顺江东下，经江陵、襄州抵达开封，住进了宋太祖预先建好的府第。当时，为人谨慎的东路军都监曹彬密报天子说：“孟昶称王蜀地二十年，而成都离京师千里，请擒杀孟昶及其僚辅以防不测之变。”宋太祖对此大不以为然，就在曹彬的密报后而批道：“汝好雀儿肠肚！”宋太祖就是以这份豪爽、豁达的气度与超凡之自信慑服文武百官，也使他不以杀戮对待降王，在为自己赢得宽恕之名的同时，极大地安抚了那些被灭之国的旧臣之心，而有利于宋朝在这些新占领地区的统治稳定。据史书记载，被宋太祖斥为“雀儿肠肚”的，还有他的心腹大臣赵普。传说宋朝建立后，赵普曾开列一份他们贫贱时的仇家名单，请求宋太祖伺机除之，但宋太祖看都不看道：“如若在尘埃中都能识别出天子、宰相，则人们都去寻找也。”
为赵宋王朝迅速攻取后蜀立下了汗马功劳的宋军主将王全斌，随即因为治军不严，日夜饮宴，不恤军务，纵部下抢掠子女财货，激起蜀人暴动，一时搞得宋廷手忙脚乱，颇为狼狈。在南宋初著名学者洪迈《容斋随笔》中有一篇名为《取蜀将帅不利》说，历来割据四川的政权最多只传两代便会灭亡，而攻取四川的将帅结局也大多不佳，例如三国的邓艾、钟会，死后还被株连九族；后唐取蜀功臣郭崇韬也被唐庄宗李存勖所冤杀。而王全斌的结局稍好，终得善死。
王全斌，并州太原（今属山西）人，出身将门，自幼就胆识过人。后唐同光四年（926年）兵变时，唐庄宗的近臣宿将全部逃遁，只有王全斌等十几个卫土拼死抵抗。混战中唐庄宗被乱箭射中，王全斌将其扶至绛霄殿，到唐庄宗死去，才大哭而去。唐明宗即位，王全斌被任命为禁军列校；后晋初，以战功升护圣指挥使；后周时，历官护圣右厢都指挥使、行营马步都校等，曾跟随周世宗平定淮南，攻克瓦桥关。宋初，王全斌又以勇猛善战深得宋太祖赏识，后因镇压李筠叛乱军功显赫，被升任宣国军节度使；其后又与洧州防御使郭进等将军率兵攻击北汉，抓获战俘数千。故此他又被天子委以重任，统兵灭后蜀，一举成功。
史称王全斌轻财重士，不求声誉，对部下极为宽容，在军中口碑极佳，但随之而来的问题是治军不严。王全斌在刚进入成都时，就对部下说：“我听说古来将帅大多不能保全功名，现在西蜀已经平定，我想称病东归，或可免步前人后尘。”但部将却劝说道：“西蜀虽然平定，然各地盗寇尚多，没有天子诏令，最好不要轻易离去。”王全斌对此颇为犹豫，于是日夜豪饮，不理军务，同时私吞了后蜀府库16万贯钱以备日后所需。其实私吞战利品在唐末五代将帅中极为普遍，而在出兵之前，宋太祖面授机宜时，也曾指示王全斌说，战利品中的钱财一律用来赏赐将士。但王全斌对部下过度纵容，使得宋兵肆无忌惮地抢掠财物妇女，其部将王继涛受命押送孟昶一行至开封，却乘机勒索宫人、金帛，从而激起蜀人的愤怒。此时，宋廷为稳定巴蜀局势，命王全斌将后蜀降军全部押送京城，并诏“人绐钱十千，未行者，加两月廪食”。而王全斌却擅自削减了后蜀降兵前往开封的路费，于是降兵在途中暴发兵变，并推举原蜀将全师雄为首领。面对如此严峻的局势，王全斌又措置不当，派部将刘光绪率700骑兵前去招抚，刘光绪却尽灭全师雄之族，纳其爱女并侵夺其行李财物，进一步激化了矛盾。全师雄率军攻克彭州（今四川彭县），杀死都监。全师雄自称“兴蜀大王”，置僚属、署节帅，分兵占领灌口、新繁、青城等战略要地，屡战屡胜，很快兵临成都城下，成都附近州县皆纷纷起兵响应，很快发展到十余万人，占据了17州，形势十分严峻。当时成都尚有后蜀降兵两万七千人，王全斌害怕他们起兵作内应，就与部将合谋将他们骗入夹城中全部诛杀。残暴的屠杀，致使乱兵的抵抗更为坚决，各地兵变此起彼伏，宋军付出了沉重的代价，直到两年之后才彻底平息。
乾德五年（967年），宋太祖为严明军纪，惩处了一批对蜀兵叛乱负有责任的将领，身为主帅的王全斌按罪本该处以极刑，但宋太祖念其战功，仅令其退还赃物，贬为崇义军节度观察留后，随州安置；副帅侍卫步军都指挥使、武信军节度使崔彦进被贬为昭化军节度观察留后。到开宝九年（976年），宋灭南唐，江南基本统一。宋太祖特意召见王全斌，对他说：“朕昔日因为江南未平，担忧征南诸将不遵纪律，故抑卿数年，为朕立法。今日已克金陵，放还卿节度使。”授王全斌为武宁军节度使，赐银器钱帛甚多。是年六月，王全斌去世，终年69岁。崔彦进也于是年觐见天子，同样被授予彰信军节度使。