Tháng 8 năm 35, Sầm cùng Lã Vị, Vương Nguyên, Công Tôn Khôi đón đánh tướng Hán là Sầm Bành ở khoảng giữa 2 quận Quảng Hán, Kiền Vi. Sầm Bành sai Tang Cung đón đánh quân Thục ở chính diện, còn mình vu hồi tập kích, ở Hoàng Thạch Than, huyện Phù Lăng thuộc Ba quận đánh bại tướng Thục là Hầu Đan, chiếm được Vũ Dương thuộc quận Kiền Vi ngay sau lưng bọn Sầm. Kỵ binh Hán đánh hạ Quảng Đô thuộc Thục quận, tiền quân cách Thành Đô mấy chục dặm. Ban đầu, Thuật nghe nói Bình Khúc thuộc Ba quận có quân Hán, phái Sầm đi đón đánh, nay Sầm Bành xuất hiện ở hậu phương của ông, Thuật cả sợ nói: Là thần hay sao!? Đồng thời, Sầm lại bị Tang Cung đánh bại trong trận Trầm Thủy.

Tháng 9 năm 36, Sầm khuyên Thuật rằng: Nam nhi nên tìm sống trong chết, sao lại ngồi chịu trận! Tiền tài dễ kiếm lắm, không nên tiếc rẻ. Thuật đem tài sản ra mộ được 5000 quân cảm tử, giao cho ông. Sầm tập kích Đại tư mã Ngô Hán ở Thị Kiều, Hán ngã xuống nước, nhờ nắm được đuôi ngựa mới thoát chết. Tháng 11, ông ở cửa bắc Thành Đô giao chiến với Tang Cung, thắng liền 3 hiệp, nhưng Thành Gia đế Công Tôn Thuật lại bị trọng thương. Sau khi vào thành, Thuật giao lại quân đội cho Sầm rồi chết. Hôm sau, ông mở cửa đầu hàng Ngô Hán, nhưng Ngô Hán lại diệt tộc của Thuật và Sầm.