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。
这是很危险的事，正如郑度向刘璋建议的那样，坚守不出、坚壁清野，敌人再强大也撑不了多久。而且，益州还有一些郡有一定的实力，比如东部的巴西郡、巴东郡和巴郡，号称“三巴”，其范围大体相当于现在的重庆市，其实力不可小视，而刘备在此寸土未占。还有南部的几个郡，汉昌郡、益州郡、越嶲郡，他们多持观望的态度，表面服从刘璋，实则保持中立。在此情况下，一旦久攻雒城不下，被刘璋趁机反攻得手，这些人肯定会一哄而上，等到那样的局面出现就无力回天了。
看到这些情况，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汉献帝建安十九年（214）5月，刘备信中做了大致的安排，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。
接到刘备的命令，诸葛亮立即进行了部署，他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，这既是对诸葛亮能力的充分肯定，也是对诸葛亮的信任。据《三国志》记载，诸葛亮还把刘备的养子刘封带上，这一年刘封20岁左右。
张飞在前面开路，首战巴东郡，将其攻克。再往前，一路顺利，直抵巴郡的郡治江州，却遇到了顽强抵抗。之前说过江州即今重庆市，是益州东部重镇，刘璋的巴郡太守是严颜，他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。《三国志》记载，张飞抓住了严颜，斥责道：“我大军已至，你怎敢不投降而拒战？”严颜不惧，答道：“是你们不讲理，侵占我们的土地（卿等无状，侵夺我州），我州只有断头将军，没有投降将军！”张飞大怒，命左右将严颜拉下去砍头。严颜脸色不变，对张飞道：“砍头就砍头，发什么火（斫头便斫头，何为怒邪）？”张飞被严颜凛然之气所感动，下令把他释放，尊之为宾客。张飞“义释严颜”成就一段历史佳话，说明张飞不是一个只会冲锋陷阵的粗人，也有心细的一面。
诸葛亮携赵云一行随后也赶到了江州，在这里稍作休整。据《太平寰宇记》记载，江州附近有一山，高3里，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，由诸葛亮自己率领，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。
诸葛亮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。
除此之外，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。按照诸葛亮替刘备做出的规划，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。
三路大军之中，相对而言诸葛亮率部攻击德阳这一路遇到的抵抗最大。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，是成都本地人，也是一名学者，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。
