Không lâu sau, Tào Tháo bị Tôn Quyền và Lưu Bị đánh bại ở trận Xích Bích. Trương Tùng bèn trở lại Ích châu báo cáo lại với Lưu Chương rằng binh lực của Tào Tháo cũng không có gì đáng kể, đã bị thua một trận không thể gượng dậy được.[2] Từ đó ông khuyên Lưu Chương nên bỏ Tào Tháo chuyển sang liên minh với Lưu Bị.

Mục đích sâu xa của Trương Tùng là ông muốn đưa Lưu Bị vào làm chủ Ích châu thay Lưu Chương vì ông nhận thấy Lưu Chương tài năng kém cỏi, không thể giữ vững được Ích châu trong thời loạn.[2] Tại Ích châu, người có cùng quan điểm với ông là Pháp Chính và Mạnh Đạt.

Hiểu rõ nội tình Ích châu, Trương Tùng hiểu rõ nỗi lo của Lưu Chương không chỉ ở sự trả thù của Trương Lỗ và sự bành trướng của Tào Tháo, mà còn là sự bất phục của lực lượng bản địa người Thục.[3] Vì vậy Trương Tùng cảnh báo với Lưu Chương về các tướng bản thổ như Bàng Hy, Lý Dị có ý ngạo mạn không tuân lệnh khiến Lưu Chương lo sợ, nhất nhất nghe theo ý kiến của ông.

Trương Tùng bèn khuyên Lưu Chương nhân danh muốn chống Trương Lỗ, hãy liên kết với Lưu Bị và đề nghị Lưu Bị mang quân vào để tăng cường uy thế cho mình, nhờ Lưu Bị trông giữ địa giới phía bắc để chống Tào Tháo và Trương Lỗ. Lưu Chương hết sức tán đồng ý kiến đó.[4] Theo sự tiến cử của Trương Tùng, Lưu Chương cử Pháp Chính qua lại thành Công an gặp Lưu Bị để liên hợp chống Tào. Sau đó, Lưu Chương lại sai tướng Mạnh Đạt mang vài ngàn binh mã tới cho Lưu Bị sai khiến.

Do sự ca ngợi của Pháp Chính, Lưu Chương rất tin Lưu Bị có tài và nhân đức. Năm 211, Tào Tháo sai Chung Do và Hạ Hầu Uyên chuẩn bị binh mã để tấn công Trương Lỗ ở Đông Xuyên - Ích châu. Điều đó khiến Lưu Chương càng sợ hãi, bèn nghe theo Trương Tùng, lại sai Pháp Chính sang Kinh châu mời Lưu Bị mang quân vào Tây Xuyên.

Mùa đông năm 211, Lưu Bị khởi gần 1 vạn quân đi Ích châu cùng các tướng Bàng Thống, Hoàng Trung, Ngụy Diên. Sau khi gặp gỡ, Lưu Chương cấp cho Lưu Bị 2 vạn quân và lương thảo quân trang, giục tiến lên phía bắc, rồi tự mình rút về Thành Đô.[5][6]