建安十九年（214年）夏，在諸葛亮、張飛、趙雲等各路有生力量的策應下，劉備終於將雒城攻破。之後劉備率軍進抵成都，諸葛亮等幾路人馬也完成了各自任務，先後到達成都城外，在此會師。
劉璋被困在孤城之內，但仍不願投降。
可見人都有一種本能，這與求生的本能類似，是對權力的渴望。直到這時劉璋才更加清醒地意識到，權力是個多麼寶貴的東西，而他即將失去這一切。更可怕的是，劉備會怎麼處置自己劉璋不知道。是像袁紹對待韓馥那樣，還是像曹操對待劉琮那樣？人家還都是主動讓權的，自己弄成了現在這樣，結局肯定不如他們。
劉璋越想越害怕，索性豁出去，乾脆來個閉門不戰也不降。
這時發生了一件事，壓垮了劉璋集團的最後一點鬥志，這就是馬超主動投奔劉備事件。
馬超這些年在哪裡？他為什麼跑到益州來呢？
自從被曹操趕出了涼州，馬超一直待在張魯那裡，張魯任命他為都講祭酒。張魯祖孫三代居漢中，以五斗米教治國，所有官職都帶有宗教色彩，其最高職務是大祭酒，由張魯本人擔任，有人認為都講祭酒僅次於大祭酒，但缺乏史料依據。但不管怎麼說，張魯對馬超還是相當不錯的，張魯甚至想把女兒嫁給馬超，這時有人勸阻道：「如果連自己的親人都不愛，怎能去愛別人？」
馬超起兵後留在鄴縣的父親馬騰及全家上百口人被曹操所殺，外界多不批評曹操的殘暴，反而對馬超做事魯莽置家人於死地很有看法。這是因為凡事講因果，馬超起兵在先，而一家人被殺在後，對此馬超也無法爭辯。此外，馬超由於慮事不周，還致妻子楊氏及兒女都死在了涼州，所以有人提醒張魯，跟著馬超沒有好結果。張魯想想，打消了收馬超為婿的念頭。
馬超在漢中其實很難受，身邊沒有親人，他有一個姓種的妾，這個妾有個弟弟在關中，後來到了漢中投奔他，過年時別人家都在團圓，馬超身邊只有這個小舅子陪他。小舅子為他祝酒，馬超悲從中來，捶胸痛哭，以至吐血。馬超痛苦地對他的小舅子說：「一家上百口人死於一旦，僅剩咱們兩個，還有什麼可賀的啊？」
孤獨、悲痛還好說，忍著就行，但馬超在漢中的處境很不妙，張魯手下過去最得勢的人是楊昂，他擔心馬超威脅自己的地位，所以對馬超很不友好，還有一個將領叫楊白，也嫉妒馬超的才能，想害他。
馬超有些害怕，不敢在漢中待下去，找了個機會跑到了漢中郡西邊的武都郡，又從那裡逃回氐中，但雍州刺史部設立後，包括隴西在內的昔日涼州刺史部所有地方都已成了曹操的控制區，馬超根本無法立足。天下之大，竟然沒有一代名將馬超的立身之所，思來想去，馬超覺得只有劉備有可能收留自己，於是輾轉到了益州。不過還有一種說法，認為馬超來投是劉備派人秘密聯絡策動的，派去的這個人叫李恢。
李恢字德昂，是益州建寧郡人，曾任郡裡的督郵，因為姑父爨習犯事受牽連而被免官。爨習也是益州名士，是郡中大族，太守沒有為難李恢，反而推薦他到州里任職。李恢由家鄉出發去成都，走到達州，聽到劉備在葭萌起兵的消息，李恢知道劉璋終將失敗，於是不去上任，而是跑去拜見劉備，在綿竹與劉備相遇。
劉備與李恢交談後，對他的才能很賞識，就派他到漢中聯絡馬超，正是在李恢的聯絡下，馬超最後才投奔了劉備。
不管是怎麼來的，總之馬超來得很是時候。
劉備大喜過望，忙派人去迎接馬超。馬超此行應該沒帶幾個人，他在漢中新納的妻子董氏以及兒子馬秋還在張魯手裡，他的愛將龐德也沒有隨行，總之來得很匆忙，或者說有點狼狽。
劉備覺得無所謂，他要的是馬超的名氣，有這一點就夠了。沒有兵好辦，劉備悄悄給馬超增兵，對外說是馬超帶來的，讓他們屯駐於成都城北，然後宣稱馬超帶著涼州兵前來助戰。成都城內原本物資儲備充足，糧食吃兩年都沒問題，而大家都願意死戰。但現在聽說名將馬超和勇猛異常的涼州軍來了，鬥志終於徹底瓦解。
就連劉璋父子一向十分敬重的名士許靖都想到了投降，他此時擔任蜀郡太守，該郡是益州第一郡，成都就在其管轄之下。許靖雖然是個知識分子，但為了逃生也有驚人的勇氣和體力，他逃跑的方式很勇敢，就是翻城牆逃出去投降劉備。
不過到底是知識分子，智則智矣，力有未逮，許靖被發覺，讓人抓了起來。劉璋倒也沒生氣，也沒殺他，因為劉璋知道此城已危在旦夕，他要是許靖，也會這麼做。
劉璋終於想到了投降，對左右說：「我們父子在益州二十多年，對百姓沒什麼恩德，卻給大家帶來三年的戰亂，百姓饑荒露宿，死於道途，這些都是因我而起，讓我何以心安？」劉璋決心投降，派張裔出城，作為自己的談判代表去見劉備。劉璋的條件很簡單，只要保證自己及一家人的安全，他願意和平讓出成都。
張裔就是在柏下與諸葛亮有過一戰的那個人，劉備見了他很高興，強攻只能把成都打爛，屍橫遍野只能在士民中增加仇恨，他更看中益州的未來，對於劉璋提出的條件他都答應，向張裔表示，只要劉璋出城投降，一定會對他充分尊重並做出適當安排。
劉備命簡雍隨張裔一道進城，向劉璋當面重申自己的承諾。簡雍在劉備手下，對重大決策發揮的作用一般，但他風度翩翩，談吐不凡，很適合擔任大使這一類的角色。
劉璋見到簡雍，懸著的心放下了一半，他下令即刻出城，向劉備請降。劉璋請簡雍與自己同乘一車出城，劉璋的手下們見此情景，不禁流下淚來。劉備兌現了自己的承諾，把劉璋及其家人遷往南郡的公安居住，歸還其財物，其中包括振威將軍的印綬。振威將軍是曹操以漢獻帝名義任命劉璋的職務，劉備歸還其印綬，意思是承認他仍然掛著振威將軍的頭銜。
劉璋有兩個兒子，長子劉循，次子劉闡。劉璋曾多次命劉循率兵抗拒劉備，但他又是龐羲的女婿，龐羲在益州勢力很大，劉備佔有益州，也得與他合作，故而劉璋把劉循留了下來，只帶劉闡去了公安。劉備後來繼續重用龐羲，並任命劉循為奉車中郎將。
劉璋帶著小兒子劉闡到公安過起了寓公生活，雖然沒有自由，倒也生活得平靜。不料以後孫劉多次交惡，劉璋父子的平靜生活還要被打破，他們的政治生命還未完結。
以後孫權襲取荊州殺關羽，劉璋落入孫權之手，孫權為對抗劉備，任命劉璋為益州牧，駐秭歸，不久，劉璋便死在了那裡。再後來，南中豪族雍闓等人佔據益州郡，歸附孫吳，孫權又命劉闡為益州刺史，駐紮在交州與益州的交界處，諸葛亮平定南中，劉闡回到江東，被孫權任命為御史中丞。