Năm 214, do giao tranh tại Ích châu chưa giành được thắng lợi, Lưu Bị triệu tập thêm các tướng ở Kinh châu tham chiến. Trương Phi cùng Triệu Vân và Gia Cát Lượng mang quân vào Tây Xuyên trợ chiến, để Quan Vũ ở lại trấn thủ Kinh châu.

Tam Quốc diễn nghĩa kể rằng lúc đó Gia Cát Lượng thống lĩnh Trương Phi và Triệu Vân mang cánh quân vào Tây Xuyên. Các sử gia đính chính rằng: thực tế là Trương Phi và Triệu Vân theo lệnh của Lưu Bị mang theo Gia Cát Lượng cùng đi, vì lúc đó chức vụ của Trương Phi (Chinh lỗ tướng quân) cao nhất, sau đó đến Triệu Vân (Nha môn tướng quân), rồi mới đến Gia Cát Lượng (Quân sư trung lang tướng, chức "trung lang tướng" còn kém "tướng quân" một cấp)[15]. Các sử gia còn bàn rộng hơn rằng, lúc đó Trương Phi ngoài chức tướng quân, ông còn có tước đình hầu, như vậy đã có thể xưng "Cô" như Tào Tháo và Tôn Quyền[14].

Cánh quân của Trương Phi, Triệu Vân và Khổng Minh rầm rộ tiến vào bình định các quận huyện. Trương Phi đánh Ba Quận, Gia Cát Lượng đánh Ba Đông, Triệu Vân đánh Giang Dương và quận Kiện Vi. Trương Phi đụng độ thái thú Ba Quận là Nghiêm Nhan. Nghiêm Nhan trí dũng song toàn, dựa vào thành trì ở vùng núi hiểm trở nên không quy phục. Trương Phi dùng mưu kế đánh bại và bắt sống Nghiêm Nhan. Trước sự khẳng khái của Nghiêm Nhan, ông cởi trói, trọng đãi Nghiêm Nhan, dụ được Nghiêm Nhan đầu hàng[16].

Tam Quốc diễn nghĩa mô tả trận này Trương Phi dùng kế lừa Nghiêm Nhan đi ra khỏi thành để vây bắt Nghiêm Nhan

Sau đó Trương Phi cùng Gia Cát Lượng đi theo đường phía bắc, còn Triệu Vân cầm cánh quân đi theo đường phía nam, cùng hội ở Lạc Thành. Các sử gia xác định ông đi theo lối Bồi Giang lên phía tây bắc qua Hợp Xuyên, Toại Ninh, Tam Đài. Ông được Nghiêm Nhan hỗ trợ dụ hàng các vùng Ba Tây, Đức Dương. Lưu Chương sai lão tướng Trương Duệ mang quân ra kháng cự, bị Trương Phi đánh tan[17]. Trương Duệ mang tàn quân chạy về Thành Đô. Trương Phi chuyển qua hướng tây để hợp binh với Lưu Bị và Triệu Vân đánh Lạc Thành rồi tấn công vào Thành Đô.

Lưu Chương đầu hàng. Lưu Bị chiếm được Tây Xuyên, bổ nhiệm Trương Phi làm Thái thú Ba Tây.