后蜀皇帝孟昶闻讯，欲依托川陕险要地势，严兵拒守，同时遣使约北汉共同反宋。
使臣赵彦韬途经大宋，见宋国力强盛而生怯意，思及蜀主奢纵荒淫，便投靠了大宋。赵彦韬投靠大宋后，悉数告知蜀军兵力部署，赵匡胤遂下令出兵。
公元964年十一月，赵匡胤命分兵两路：北路为主力，命王全斌任西川行营前军都部署，率领禁军步兵骑兵二万人、各州军队一万人由凤州路进讨，由北而南下，经兴州、三泉，破剑门；
东路：刘光义任副都部署与都监曹彬率步骑2万，自归州(今湖北兴山南)沿长江西上，尔后攻取江防重镇夔州，破东川防线；
若剑门、夔州一破，则蜀无险可守，两路分进合击，约期会攻成都即可取蜀。
孟昶得知，命王昭远为北面行营都统，率兵数万北上扼守利州、剑门（今四川剑阁）等关隘。
王昭远号称蜀中诸葛亮，以方略自任，始发成都时，蜀主命宰相李昊等为之于城外饯行。昭远手执铁如意，以为北方宋军愚蛮不通军变，略施谋略即可胜之。酒酣，攘臂谓昊曰："吾此行何止克敌，当领此二三万雕面恶少儿，取中原如反掌耳！"。学诸葛亮吹牛倒是会了，果然不愧是小诸葛。
当年诸葛先生七出祁山都挡不住蜀汉灭亡，今天这小诸葛王昭远有何能耐呢！就在那年十二月，王昭远一入前线，就三战三败，狼狈逃窜，自此不敢与宋军相抗，北路军王全斌占领利州；965年正月，北路宋军突破剑门险要，大败蜀军，俘王昭远，继占领剑州(四川剑阁）。东路刘廷让也顺利突破突破巴东咽喉夔州（奉节），连克万、开、忠、遂等州。两路直逼成都，孟昶举城投降，后蜀灭亡。
此次出兵灭蜀比后唐灭蜀还快，只用了66天。古语有云：蜀乃天府之国，易守难攻，诚是欺人之谈，蜀有什么险可守，五代前后两蜀灭亡没有熬过一个季度的。刘邦、刘备能据蜀而成就大事，那是这两位厉害，蜀地故能为其所用。刘备换成刘禅，还是那个蜀，却不消一会就给灭掉了。
但是，蜀地的确是富饶，无论谁入了蜀地都让天子起疑。王全斌做为破蜀首功，为求自保，他争财求利放纵士卒，后来酿成全师雄之乱。这件事对于赵匡胤则是好事，一来可以将已降的蜀军当中不服者全部除掉，消弱蜀本土固有势力，利于真正吃掉蜀地；其二王全斌居功蜀地，本是难治，此下就可以拿下了，以儆效尤。
其实，王全斌此举可谓深明宋太祖赵匡胤的忧虑。赵匡胤也是懂事之人，他不要人头，只要解决问题。王全斌等人为大宋立功，虽然犯法，赵匡胤也不打算让狱吏污辱他，只令中书省问清罪状，王全斌等人干脆供认不讳。赵匡胤就下诏，宣示王全斌等人的罪状，尔后降职仍予富贵。君臣顾及了彼此的面子，两下相安。
大宋领地大幅扩张，赵匡胤不想攻下一地丢一地，他要稳打稳扎中央集权，不能让这才拿下的领地成为下一个强藩，所以他将自已改良了的节镇制强力执行下来，各节度使不得有所属藩镇的吏治与财权，精兵全收归禁卫军。
公元969年，赵匡胤见时机成熟，把地方节度都使请到京城，进行了二次杯酒释兵权。之后给节度使们一个无权的高官位，让他们自己就在京城“养老”，节度使们不干也不行啊！属镇要钱没钱，兵又少，比起禁军那都是残弱，只能乖乖的认命养老了。
这样，大宋全境安定，国力更强盛了，毕竟内耗已降至最少，赵匡胤又可以再次开启征服天下的日程了。在荆湖、后蜀灭亡后，大宋军威大涨，南唐再次臣服（早已在柴荣时就去帝称臣，赵匡胤上位继续向宋称臣），吴越自忖不是大宋敌手也主动臣服，只有南汉皇帝刘鋹因为地理原因无所忧惧，拒绝附宋。
公元969年六月，赵匡胤决定攻下南方唯一一个未归附中原的藩镇南汉（两广地区）。他以右补阙王明为荆湖转运使，做出战物资准备。
次年970年九月初一，命潭州防御使潘美为贺州道行营兵马都部署，率十州兵长驱南下，中间突破，直趋贺州（广西贺县）。潘美声言沿贺水东取南汉国都兴王府（广州），期望诱歼南汉军主力。于是刘鋹派大将伍彦柔率舟师溯郁江、贺水西上增援，宋军做为攻方，能引敌出动，对他们而言是最极有利的。潘美伏击援军获胜，杀伍彦柔，占领贺州，初战告捷。南汉军为何敢于出动出击，一是想以攻为守，二是觉得自己人数占优，却不知宋之禁卫军早在柴荣时代已全为精兵了，数虽少，战力却非同凡响。
十二月，宋军进至韶州(广东韶关），南汉都统李承渥率兵十万于莲花峰下，列象阵迎击宋军，宋军以强弓劲弩破阵，占领韶州。公元971年正月，宋军攻克英、雄两州。二月，进至马径（广州北），刘鋹欲降，郭崇岳虽力阻，但他无抗宋之法。唯顽守而已，领军六万最终被宋以火攻破。
军继而攻陷兴王府，擒俘刘鋹押送到京师，南汉灭亡。
自此以来，南面已全部收归大宋了。南唐、吴越虽已称臣，但大宋的行政权却无法触及此两地。这符合过去的藩镇生存法，但不符合赵匡胤的新节镇制度，降表在赵匡胤看来不算什么，他要的是实务。
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