夏季五月，诸葛亮接到刘备西进的命令后，他和张飞、赵云、陈到、刘封等人率军沿水路进入益州，一路攻城下郡招降纳叛，很快顺利抵达重镇江州，张飞攻克江州，生擒巴郡太守严颜。此后，诸葛亮、张飞、赵云、陈到等遵循刘备的指示，分军出击攻城略地，意图将成都孤立包围，最后迫使刘障早日投降。张飞率军从江州北上，进攻巴西郡，占领郡治阆中，留兵镇守，同时防御汉中张鲁。诸葛亮带刘封走中路到德阳，以最短路程尽快赶到成都附近。赵云攻取重镇江阳，过犍为郡，从南面迂回包围成都。几路军队进展顺利，一路所向披靡，捷报接连送到刘备面前。
这时黄忠奉命兵进雒城，击溃防守雒城外围的堡垒，距城二十里安营扎寨，准备组织围攻。雒城始建于秦代，秦灭巴蜀即置雒县。西汉高帝六年首置广汉郡，治雒城，武帝元封五年设立益州，以雒城为治所，初平二年，益州牧刘焉移治绵竹。刘璋继任之后，大力扩建雒城，构成特大军事重镇。雒城四面山岭连绵起伏，河水环绕纵横，一条主河流至雒城郊野开出十几条支河分汊，夹林穿岭绕城而过，形成错综复杂的地形，是成都北部最后一道屏障，拿下雒城，成都就处在包围之中。可是，雒城坚固险峻，墙高池宽，守军广众，粮草丰盛，特别易守难攻。
刘备率军随后赶到，加强攻城的力量。坚守雒城的刘循，听说冷苞兵败被杀，召集诸将商议，刘璝、张任、吴兰、雷铜等将一齐来到。刘循说：“我接到探报，说刘备兵分两路向雒城发动进攻，情况十分紧急。”张任向刘循献计说：“城东南山偏僻处，有一条小路最为要紧，张某自带一军守住，作为城外协防的势力，诸公防守雒城，互相支援，不能有失。”刘循说：“我们应该主动出击，如果挫伤刘备的锐气，对防守雒城十分有利。”即命张任领三千军士，先去抄断小路，暗中埋伏，严阵以待。
秋季七月初七日，黄忠率军从大路攻向雒城，魏延率军从小路前进。在这次攻打雒城的战役中，刘备的高级谋士庞统亲自率众出征，准备参加攻城。这位盖世奇才，神机高明的谋略家，素与诸葛亮齐名。自从投到刘备帐下，自叹没有建功立业，很想在开蜀战争中一展身手，于是，他走出中军帐，伴随魏延亲临前线指挥作战。张任望见身穿衣装的庞统，断定身份特殊，下令开弓射击。庞统没有戒备，不幸中箭身亡。魏延走在前面，突然被张任截断归路，急忙带领前队返回冲杀。张任守在高阜处，用强弓硬弩连番射击，使魏延行动困难。雒城守将吴兰、雷铜接到信号，也率兵围攻过来，三路兵马把魏延围在中间，情况十分危急。
这时黄忠远见雒城兵马出动，断定魏延在山林小路上发生险情，当即立断改变攻城计划，率部直向山林小道。果然发现魏延遭到围攻，他舞刀催马大喊一声：“文长坚持，我来救你。”黄忠挥师夹攻，击败吴兰、雷铜。随后又配合魏延击溃张任的伏兵。黄忠和魏延合兵一路，乘胜追击，一直追到雒城附近。刘璝领兵杀出城门，企图一展风采，黄忠当先一箭射去，刘璝中箭受伤，只得退后。黄忠、魏延乘势进击，打得蜀兵溃不成军，争相逃回城中。
刘备听说庞统中箭身亡，顿时心情悲伤痛哭流泪，这是他进军巴蜀以来遭到的最大损失。庞统投效刘备只有三年时间，但他的才干谋略却一直广为世人称道。黄忠听说庞统不幸陨落战场，心中感到无限惋惜，向他表达了哀悼和万分遗憾的心情。
张任发现刘备停止攻城，并后撤立营，确定上次伏击射死了荆州的军师庞统，他振奋精神，领军到营前挑战。黄忠向刘备请令出战，他说：“军师庞统刚刚遇难，张任就来挑战，气势如此狂妄，黄某愿意出击，挫败他们的傲气。”刘备说：“士元身亡，锐气受锉，应该坚守营寨，不宜出战。”
这时，法正继庞统之后成为刘备军营中第一谋士，他向刘备建议，给刘璋写信劝降，尽量争取和平解决，减少兵力伤亡。刘备就令法正写信。法正在信中向刘璋陈述当前双方战场上的形势，指明刘璋面临的危机。他说：目前国事已很危急，祸害很快就要临头，卑职虽流落在外，被人憎很怨尤，仍然想极尽胸怀，以尽余忠。将军的内心，我十分清楚，实在是出于爱慕而不想失去左将军的援手，而结果变成如此，实在是左右不明白英雄处事的道理，以为可以违背信誓玩忽盟约，原因在于将军一贯意气结交顺耳悦目的人，不去为国深谋远虑。事情已经发生，又不知度量虚弱的形势，以为左将军孤军远征，没有蓄积粮草，想要以多击少，长久相峙。但是左将军的部队从关上一直打到这里，所过之处都立刻攻陷，离宫别屯、日见失陷零落。雒城虽有部队万人，都是战败之卒、破军之将，如果想要作国家存亡的战斗，双方兵将势力实在不能相比。对那些进献长期对战、等待对方粮缺的谋士来说，今天左将军营寨的防守已经安定，粮食储积囤满仓鼠，而将军土地日益减削，百姓日加困苦，敌对者增多，还要供应辽阔旷远的战线。我私下计算一下，必定会无以为继，不能再支持下去。虽然相持不战，凭险固守，依然不能应付。现在张益德率领的数万部队，已经底定巴东，进到了犍为县境内，分兵资中、德阳三路入侵，将军又如何抵御呢？夲来替将军策划的谋士，一定说这支部队深入远征，又无粮草，辎重既来不及补给，兵少又无以为继，却不知道目前荆州的通道已经打开了，兵马数量有几十倍。如果要争客主的形势，以占地的多少定胜负，今天左将军已经完全占领巴东、广汉、犍为至雒城，左将军已完全占领巴东、广汉、犍为的大半土地，巴西一郡即将平定，将军所能仰仗的只有蜀郡，而蜀郡也被占领了三分之二，吏民疲困，想造反作乱的十有八家。如果敌人距离远，那么百姓不能胜任役使；敌人一走近，那么马上就会易主了，广汉那些失陷的县城，就是明显的例子。还有鱼复和关头，实为关系益州祸福的大门，今天两扇大门都被敌人打开，坚固的城池也都被攻陷，所有的守军全被击破，将吏俱尽，而敌人数路并进，已入心腹之地，坐守成都、雒城，存亡的形势已经明白可见。这还是从外面比较所得的大略情况，其它细节，很难用文辞来表用。以卑职这样普通的才识尚且知道守土之事不可复成，何况将军左右那些明智用谋的策士，怎能看不见这个情况呢？只是他们早晚博取宠幸，为求有容身之地而取媚上级，不去深虑远图，不肯尽心贡献良计罢了。如果情势迫切，他们将各自谋求生路，要求打通关节，辗转反复地保全性命，就和今天的发现大不相同了。他们都不会为将军去效死的，而将军仍旧要自己担负起存亡的忧患。卑职虽然受到不忠的毁谤，但是内心自谓不负圣主的恩德，回想自已职分之义，实在痛心。左将军从头至尾都是夲着以往的情谊，并没有其他鄙薄的想法。依卑职愚见以为可以商量另作打算，以此保全将军的一家。
刘璋接到法正的书信，内心曾经犹豫了一阵，又在左右的劝说下，没有听从法正和平归顺的建议。
建安十九年公元二一四年，春季，守卫葭萌关的霍峻突袭围城的敌军，击斩副帅向存，一举击败围军一万余人，为刘备的前沿部队扫除了后顾之忧，刘备接到霍峻的捷报，心情非常兴奋，召集众将，会宴庆贺，并商讨进兵计划。黄忠向刘备建议说：“刘璋被周围小人所惑，看不到自己的短处和军事上的危机，只能用武力扫平讲和的障碍，进围成都，才能打破他们的幻想。目前雒城易守难攻，我们不必强攻，可用围城打援的战术，打击附近的守军，这样蜀军日益消弱，不仅把雒城陷入孤立绝地，还为进取成都开劈道路。”刘备十分赞赏，奋然说道：“将军避实击虚灵活用兵，真是良谋奇策，古代的名将也不过如此，我采用这个方案。”
黄忠说：“张任驻兵城外，见我军长日不出，彼军必然懈怠而缺乏准备，今夜可以分兵劫寨，胜过白天作战。”建议当即得到刘备的同意，由黄忠率部去右路，魏延率部去左路，刘备自取中路。
当夜二更时分，三路军马一起出发，进至敌军营寨，张任果然没有准备，黄忠率军冲进大寨，四处放火，顿时营区烈焰腾空，蜀兵惊慌奔走。张任组织人马奋力抵抗，企围扭转战局。刘循在雒城看见城外火光，知道张任的营寨出事，急忙派兵接应。张任得知刘备在西面指挥进攻，他命令吴兰率兵迎战黄忠，雷铜率兵迎战魏延，自己引兵迎战刘备。黄忠看到营区火势凶猛，不利交战，暂时向东撒退。吴兰以为黄忠败退，立刻追击。黄忠撤到营外空地上，随即回马转攻，势如摧山填河，吴兰抵挡不住，只得率部投降。
与此同时，魏延击败雷铜的部队，并将其收降。黄忠和魏延又分路夹击张任，连批收降蜀兵，张任损兵折将，被迫退进雒城。
雒城上空战云密布，旌旗随风漫卷。刘璝对张任说：“形势非常危急，我们必须决一死战，确保成都的安全。今日兵马虽然丧失，张将军不必忧虑，我派人去成都告急求援。”张任说：“这次营寨遭到袭击，是我的失误，我一定整兵再战，将功折罪。”刘璝担忧地说：“我军新败，只宜坚守，不能出战。”张任大气凛然地说：“尽管雒城易守难攻，我也要主动出击，壮扬益州军队的威风。”刘璝说：“刘备的将士一向作战勇猛，接连取胜，实在不好对付。”张任胸有成竹地说：“我要用计谋和有利地势争取胜利，首先抢占雁桥一带，那里可以进可攻退可守，还能埋下伏兵，并且有水路支援，真是一个用兵的好地方。如果刘备攻城，我就袭击他们的后路，我若在雁桥发生危险，城内再出兵助战，这样造成前后夹击的形势，可保雒城，可获大胜。”刘璝说：“那就按这个计划行动吧，如果你遭到刘备的攻击，由刘循公子守城，我引兵出城助战。”
这时，张飞和赵云两路人马奉命开到雒城会合，协同作战。刘备调兵遣将，对雒城一带施行战略包围。黄忠奉命驻防雒城东北方向金雁桥边，这条河是雒城外围第一道河，雁桥横跨河面，连接着内外的道路。黄忠先绕河观察地势，发现这里依山傍水，草茂林密，是用兵布阵的险要地带，料到张任必来抢占，应该提前安排兵力。他当夜回到中寨，向刘备报告情况。刘备连夜进行布署战备行动，他对黄忠说：“根据你提供的情报，可在雁桥一带设下伏兵，第一是据守险要，第二是预备伏击蜀军。在距离金雁桥南五六里的地方，南岸都是芦苇蒹葭，你可以驻兵埋伏，另派魏延领一支兵马驻防左边，配合作战。”刘备又传令张飞率部截断雒城至雁桥之间的道路，随时伏击敌军。又令赵云驻防桥北，配合围击张任。
刘璋命张翼率部来到雒城助战，张任命他协助刘璝守城，自率主力前队，浩荡出城，直取雁桥。
刘备驻守雁桥的一支兵马依计后退过桥，张任乘势追击，过了金雁桥。刘备亲自率军冲杀过来，张任知道中了埋伏，急忙回军，发现雁桥已被折断，随即向北撤退，只见赵云一军隔岸排开，水路已被控制，就往南绕河而走，急行五里，来到芦苇丛杂之处，道路极其狭窄，埋伏左边的魏延突然从芦苇中杀出，部下都用长枪乱戳，袭击蜀军步兵。张任带领骑兵从芦苇丛中踏出一条路，疾蹄逃跑。黄忠率部伏在芦苇里，前队士兵使用长刀专砍坐下马，骑兵全部倒落地上，到处乱窜，芦苇丛中伏兵重重叠叠，将四散逃生的骑兵收捕生擒。张任的步军冲过左路伏击线以后，跑到这里，听到四处喊杀之声，吓得不敢再进。黄忠乘势传达投降不杀的号令，蜀军步兵全部投降。张任领着数十骑窜出芦苇丛向一条山路逃走，正遇守伏此地的张飞，急忙转身逃走，张飞率兵一拥而上，将张任一举生擒。
张飞押解张任来到中军大帐，交给刘备发落。刘备对张任说：“蜀中诸将总是望风而降，你为何屡次抵抗？听说你忠君爱国，为何不能随我去讨伐国贼？”张任怒目而视，愤然说道：“忠臣岂能再事二主？张某既然跟随刘牧，怎能再随左公？刘牧下令抵抗，张某只能遵命力战。”刘备不忍杀掉，准备暂时软禁在后方，以备任用。可是张任宁死不降，他说：“今日左公即使迫降，明日张某也要反叛，请赶快处决，不必拖延时日。”刘备只好下令将他斩首。
夏季四月，刘备扫除了雒城的全部外援，率众再攻雒城，令黄忠、魏延围攻东门一线，张飞、赵云攻打西门一线。因为南门一带都是山路，北门临近涪水，因此不用包围，给守军放一条生路。黄忠陪同吴懿为前部，釆取先礼后兵、争取和平解决的策略，准备劝刘璝投降。吴懿来到雒城门下，喊刘璝谈话，刘璝一听吴懿来到，立即登上城楼，厉声质问：“你和刘牧夲有亲戚关系，危难关头，命你带兵防守锦竹，你竟然率部投降，充当叛贼，有何脸面来跟我谈话。”吴懿温和而又平静地进行劝导，向他讲解刘备的仁政安民的英明大度和兴复汉室的雄图大略，并且说明刘备进驻益州的联兵计划和发生冲突的真实内幕，劝他认清形势，弃暗投明。刘璝一听，竟然破口大骂：“你充当反贼，还想拖我下水，让我也背上黑名，那是做梦妄想。”黄忠厉声说道：“吴懿、费观两人都是刘益州的亲戚，奉命迎战，但他们一旦遇见左将军，马上率部投降，这并不是迫于兵势，也不是卖主求荣，而是看到左将军的英明伟大，发现刘益州的暗弱短见，不忍心再让益州混乱不堪，想拥护英主治理益州，作为讨伐国贼的基地，他们归顺是正义的感召，英明的壮举。”刘璝说：“我为人处事自有主见，不用你来指点。”黄忠语意未尽，又说：“你身为刘姓同宗，应当为汉室尽忠效力，现在天子蒙难许都，左将军联合各路勤王诸侯讨伐曹操，请你以汉室大业为重，跟左将军干一番事业，也能光宗耀祖，青史留名。不要向张任、冷苞、邓贤那样顽固不化，死得毫无价值。”刘璝依然执迷不误：“我眼里只有刘益州，不管天子在哪里，更不能容纳刘备。”黄忠向他发出最后通谍：“你如果执意不降，黄某就要攻城了，你要为全城军民考虑一下，不要因为你个人意愿给军民带来灾难。”刘璝加大了口气：“我要带领全城军全部战死，也要表达保主守城的忠心。”忽见城上将领张翼，快步来到刘璝面前，庄重说道：“你不分是非明暗，不知高低正邪，只会祸国殃民，留你何用？今日张某要除暴安良，弃暗投明。”说完拔剑砍翻刘璝，当即开门投降。刘循闻讯慌忙上马，逃出城外，向成都奔驰而去。