要往西從水路入蜀，就要打造大量的戰船。不過在造船的過程中遇到了一個小麻煩，就是鐵釘不夠了。這時，原荊州刺史陶侃當年的遠見就發揮作用了。原來以前荊州造船時所剩下的竹根、竹梢和木屑，陶侃都令人登記收管起來，別人都不知道他想幹嘛。後來正趕上官員集會，積雪開始化開，廳前泥濘難走，陶侃便派人以木屑鋪地。等到桓溫要攻打成漢的時候，又得以用陶侃所貯備的竹頭充當造船所需的釘子。這樣，所有的廢料都派上了用場了，陶侃的遠見惠及了後世的桓溫。
永和二年公元346年）十一月十一日，建船完畢後，桓溫在向朝廷發出自己要帶兵西進的奏章之後，不等回複就命令部隊誓師進發了。時年三十五歲的桓溫親率荊州的精兵以及益州刺史周撫，南郡太守、譙王司馬無忌的部隊一共一萬多人，向著成漢國境內長途奔襲而去。晉軍分為兩路，江夏相袁喬率兩千精銳為前鋒，走陸路從前面開路；而桓溫則與益州刺史周撫、南郡太守譙王司馬無忌坐船走水路，溯江而上。
在臨出發之前，他任命安西將軍長史範汪為留守，負責後方事務；又加授周撫為都督成漢境內的梁州漢中、梓潼、巴西、陰平四郡諸軍事。
庾翼在建元元年七月北伐前曾令周撫、曹據伐李壽“敗其將李恆於江陽”。從此，周撫的部隊已經控制了江陽及下游的巴郡，因此桓溫部隊在開始階段的進軍過程是比較順利的。
桓溫帶兵入蜀的訊息傳來後，朝中上下除了對桓溫越權行為紛紛表示不滿外，同時也對這支孤軍的命運表示非常的擔憂，只有劉惔淡淡地說：“桓溫此舉一定能夠成功！”。別人就問這是為什麼，劉惔回答道：“我的判斷來自於過去與桓溫賭博的經驗。桓溫是個賭徒，在賭博的時候，他如果沒有必勝的把握，是絕不會下賭注的。我所擔心的不是他能不能滅掉成漢，反而是擔心等他滅掉成漢之後，會利用滅國之餘威來控制朝廷，那時我們就都得聽他的了。”
劉惔的評論只是宏觀上的坐而論道，但實際中的情況和困難卻遠不止想象中的那麼簡單，身為主帥的桓溫更是感覺壓力山大。由水路往西進入蜀地，必須經過兩岸如削、巖壁高聳的長江三峽，而三峽水道一路上是激流險灘，而且落差很大，只能靠纖夫拉船，緩緩逆流而上。幸虧成漢國當局覺得這三峽水道自古以來就是無法攻破的天險，壓根沒有想到晉軍會從這條水路進軍，他們的防禦力量主要佈置在北方的戰線上，壓根就沒有在三峽的險要地形處派上一兵一卒進行防禦，否則的話晉軍就是拼上個三五年也未必能打通夠逆流而上的水路。
當大軍進入巫峽後，軍中有人捕捉到一隻小猴子，就把它帶到船上，那隻小猴子的母親沿岸哀哭嚎叫，跟著走了一百多裡路也不肯離去，到了補給和休息時間，船一靠岸，那母猴拼盡最後一口氣跳到船上後，就已經斷氣了。士兵們剖開它的肚子看，只見母猴的腸子都是一寸寸的斷裂開來的。從後面趕至的桓溫聽到前面計程車兵在喧嘩，就上前問發生了什麼事情，當他聽到此事的經過後，一陣悽酸不忍的感覺馬上湧上心頭，他當即下令把抓小猴子來戲弄的那個好事者給開走了。
桓溫生完氣後，看著兩岸險峻巍峨的高山，又看了看腳下湍急的江水，他越看越覺得此行風險重重，危機四伏。他在出兵之前已經盡可能地預計了此行的艱險，但是實際上所遇到的種種困難還是遠遠的超出了他的原先的想象，不過，盡管前路漫漫，這時已經沒有辦法再走回頭路了，他不由得自言自語地感慨道：“既然選擇了要作忠臣，就不能再作孝子了啊！”桓溫的這番話裡面有一段典故：西漢時王陽入蜀為益州刺史，見蜀道危險，就以身體發膚受之父母，不能輕易冒險為由，辭官而回。後來王尊入蜀當官經其故道，卻說道：“王陽為孝子，王尊為忠臣”，說罷疾驅而過。儒家的孝道被王陽如此利用，當時卻備受輿論的稱許。桓溫此言實是有感而發，從這番話裡我們既可以體會到他那種視死如歸的豪邁氣概和冒險精神，也能夠理解到他內心中對此去的勝負之數的忐忑。
桓溫大軍過得白帝城後繼續溯江西上，來到了魚複縣治所南岸的魚腹浦，只見在平沙之上，用石塊壘成八行，每行長百餘丈，彼此相距約二丈。桓溫的幕僚和軍事將領們見這些石陣排列有序，但是誰都說不出這是什麼陣型。桓溫曾經跟從五兵尚書蔡謨學過陣法，就忽悠大家說：“你們不知道嗎，這就是古人常說的常山蛇勢啊！”，他還憑自己的想象解釋了一通如何擊其首則尾至，擊其尾則首至，擊其中則首尾俱至，他還講得頭頭是道，似模似樣的，以致大家對他都佩服得不得了。
桓溫的遠徵軍迅速穿越了成漢國的巴郡今重慶市）、江陽郡今瀘州市），然後折向岷江，進入合江，抵達青衣渡口即魚涪津，在今四川省樂山市）。這時，已經到了永和三年公元347年）的二月。經過三個月的長途行軍，桓溫親自帶領的這只孤軍已經將重重的險阻拋在了身後，一路深入到了成漢王國的腹地。
這時，成漢國主李勢終於發現到這一支來自東晉軍隊已經能夠對自己的政權構成非常現實的威脅了，驚恐之下，他下令動員附近所有能夠調動的軍隊以阻止桓溫的這支孤軍向cd靠近，他命令叔父右衛將軍李福、堂兄鎮南將軍李權、前將軍昝音：zan）堅等人，率軍數千從山陽峨眉山之南）向樂山附近集結。樂山位於岷江、大渡河、青衣江三江的交彙處，岷江由北偏東向南，青衣江由西北彙入，大渡河其時稱沫江）由西偏南而來。
李福和李權原打算在岷江南岸設下埋伏，以等待晉軍的自投羅網，但是昝堅卻認為桓溫很有可能從樂山沿著岷江東岸北上，因此，打算先引軍北撤至更遠處的彭山，然後再予以晉軍一個迎頭痛擊。於是，漢軍分兵三路，其中昝堅的部隊從青衣江北鴛鴦碕渡江向犍為郡四川省彭山縣）進發。
永和三年公元347年）三月，桓溫大軍繼續北上，進抵彭山縣南的彭模，在這裡，桓溫召開了一個軍事會議，以決定下一步的行動方案。在會議上，有人提議這時應該兵分兩路，先是齊頭並進，最後分進合擊，以此來迷惑漢軍的防守。袁喬則發表意見說：“如今我們已經孤軍深入到萬裡之外，如果勝利就可以建立不世的大功，一旦失敗就盡死無疑。我們的軍隊本來就不夠多，這時應當聚集在一起，齊心協力，以爭取一戰成功。如果兵分兩路，則力量不能集中，萬一其中一路覆滅了，整個的討伐計劃就完蛋了。不如以完整的隊伍前進，扔掉做飯的炊具，只帶三天的軍糧，以顯示義無反顧的決心，這樣肯定可以取勝。”
桓溫再三考慮之下還是決定採納袁喬的建議，他讓參軍周楚周撫之子）、孫盛二人帶著比較羸弱計程車兵駐守在彭模的大本營中以保護全軍的後勤輜重，而自己則親率主力步兵從山陽前出岷江南岸。與此同時，當漢軍昝堅率部抵達犍為郡之後，卻發現自己所判斷的晉軍的進軍路線與實際發生了偏差，於是，又從沙頭津彭山縣北）再次渡江攔截。
而狡猾的漢軍右衛將軍李福則率領自己的部隊對晉軍的彭模後方基地發起了一波又一波的進攻。不過，盡管李福做出了正確的決策，但是卻無法達成目標。因為留守在此的周楚、孫盛部隊盡管在人數和素質上都比不上主力部隊，戰意卻是十分的昂揚，畢竟大家都清楚地知道，己方勞師遠徵在外，老窩一旦被端，全軍都會死無葬身之地。李福屢次發動攻擊，但是都始終無法戰勝背水一戰的對方，損兵折將之下，就只好知難退卻了。
而桓溫所部主力則與駐守在北上道路上的漢軍鎮南將軍李權所部展開了激戰。由於成漢軍隊一分為三，李權所部根本無法抵抗桓溫主力的猛烈攻擊，晉軍三戰三捷，打得李權全軍潰散，潰敗後的軍隊都逃回了cd，而鎮軍將軍李權因為擔心打了敗仗回去肯定沒有好果子吃，幹脆直接向桓溫投降算了。
桓溫的這只遠徵軍窮追猛打，進展神速，昝堅所部只得繼續跟隨北上。當桓溫的主力已經抵達了距離cd城只有十裡遠的十裡陌的時候，昝堅這支連續做了好幾天折返跑的疲憊之師終於在後面趕上晉軍了，不過，當看到面前這支陣型嚴整的虎狼之師那氣勢洶洶的樣子，還沒等對方發動攻擊，就已經軍心散亂了，等到晉軍的戰鼓剛一擂響，他們馬上就自行潰散了。<101nove.d城防的那種堅固程度，桓溫想把它拿下還是相當的不容易。他一路孤軍深入，糧草和給養的補給極端困難。別說拖上一、兩個月，就算是原地不動待上個十來天，不用別人打，餓都得餓死。偏偏就在這個關鍵的時候，有個人站出來替桓溫解決了這個大問題。值得諷刺的是，這個來幫忙的人就是成漢皇帝李勢。
李勢以他那天才般的軍事智商，下令召集起cd城裡的所有軍隊，並且以宮中的大批金銀財寶作為犒賞，欲全力與桓溫在城外決一死戰。
<101nove.d城東南兩公裡處的筰橋展開了一場你死我活的殊死搏鬥。這場雙方都不留退路的決戰打得異常的慘烈，李勢當時就站在cd南門的城牆上親自督戰。重賞之下必有勇夫，加上國主的親自督戰下，一天前還象是豆腐做的成漢軍隊一下子判若兩軍，似乎就已經變成了經得起敲打的核桃軍了。桓溫所部在接戰後並沒有能夠象原先預想的那樣一下子就取得戰場的主動權，因為負責進攻的前鋒部隊在對方的強硬防禦下根本無法取得有效的突破。由於敵方人數佔優，一旦不能以主動的攻勢打散對方的陣型，人數少的一方就會越來越難熬。
就這樣雙方不斷地相互消耗，相互絞殺。盡管晉軍的訓練水平要比對方高很多，但是對方一旦起了拼命的念頭，這就很難以人少打人多了。在膠著的混戰當中，正在前線督戰的桓溫的參軍龔護陣亡了，就連精銳的前鋒——袁喬所部也不得不往後退卻，亂箭還一度落到了正在緊張地觀察戰況的桓溫的馬頭前。這時，晉軍已經因為拼鬥多時而疲憊不堪了，而敵人不但不見退卻，反而越打越起勁！
此時就連身為主帥的桓溫也不免心驚：再這樣繼續拼下去的話，可能整支部隊都得拼完。這時，氣喘籲籲的袁喬退到桓溫身邊說：“使君，看來要出動虎賁營了！”
虎賁營人數不多，只有八百多人，不過卻是桓溫手下最精銳的部隊，他們由荊州的猛士經嚴格挑選而成，平時也對他們進行了最嚴格的訓練，每人都是能夠以一敵眾的猛士，可以說是精英中的精英。桓溫本來是把虎賁營作為預備隊而使用的，如果太早把這支精兵消耗掉的話，一旦失敗就連逃跑的機會都沒有了，所以桓溫在對這支部隊的使用上一直都是慎之又慎，他必須要在最危急或者最關鍵的時候才會動用到這支精兵。
桓溫在敵人的飛箭已經落到自己的馬頭附近後，就已經讓虎賁營做好出擊的準備：如果不得已要撤兵，虎賁營就要沖上去接應，以幫助壓穩己方的陣腳；如果要發動孤注一擲的最後一擊，那麼虎賁營就是一把直接刺向敵人心髒的尖刀。現在桓溫聽到袁喬這麼一說，馬上向身邊的傳令官下達了虎賁營出擊的號令。接著，晉軍的後方就響起了發動總攻的戰鼓之聲！
當聽到這振奮人心的戰鼓在自己陣地的後方隆隆作響，正在前方浴血奮戰的晉軍就已經知道期待已久的虎賁營終於出動了。
這雄壯而頻密的鼓聲讓人們完全忘記了對面前敵人的畏懼，一時間，晉軍士兵吶喊聲四起，本已疲憊不堪的身體彷彿注入了一股神奇的力量，轉而信心百倍地與前面的漢軍進行殊死的搏鬥。前鋒官袁喬則順手拿起虎賁營的戰旗，領著虎賁營往對方陣地當中最薄弱的地方沖去，準備來一個底線傳中。
面對晉軍突如其來的一波猛烈攻擊，對方一下子懵住了，信心開始動搖。隨著核心陣地的側翼被晉軍虎賁營的攻擊所突破，成漢軍隊計程車兵們已經能夠看見在自己陣地的後面揚起了晉軍的旗幟，他們頓時軍心大亂，而苦戰已久的晉軍則軍心大振。在奮勇向前的晉軍面前，成漢軍隊全線崩潰，兵敗如山倒，成漢士兵除了被斬殺者外皆四散奔逃，紛紛從小路繞回cd。
<101nove.d城下，桓溫命令部隊放火焚燒了cd小城的城門。這是他和幕僚們原先就制定的攻城策略，因為他們孤軍遠徵，根本不可能攜帶大型攻城設施，只能透過巧計破城。
看見各處城門漸次被燒，城內的李勢君臣士眾再也無心再戰，中書監王嘏音：古）、散騎常侍常璩音：屈，《華陽國志》的作者）等勸說李勢學劉禪的故事投降，李勢則徵詢侍中馮孚的意見，馮孚卻說：“過去吳漢伐蜀，盡滅公孫氏，如今，晉軍下書，並沒有說要赦免李家，如果投降，恐怕也不能生全。”
於是，就在當夜，李勢帶著昝堅等少數幾個親信，趁夜開啟cd的東城門，狼狽地北逃至晉壽四川省廣元市西南，即葭萌關）。
晉穆帝永和三年公元347年）三月九日，桓溫進入cd，他入城後採取了各項的安民措施，約束了士兵的違法行為，並向成漢國的投降大臣們逐一瞭解成漢國曾經經歷過的各種內部情況，並和他們一同探討成漢國衰落的各種內外部原因。他覺得成漢國的司空譙獻之、散騎常侍常璩、尚書僕射王誓和中書監王瑜等人才識非凡，很為他們遇到了一個昏君而可惜，於是他將譙獻之、常璩、王誓、王瑜以及鎮東將軍鄧定等人暫時任命為自己的參軍，並且對他們說要為他們向朝廷進行推薦。經過桓溫一系列的詔安撫慰工作，“舉賢旌善，蜀人悅之”。
桓溫勞累之餘參觀了成漢的宮室，只見這皇宮的前面部分是巍峨高聳的宮殿群，端的是窮奢極欲、氣勢不凡，後面部分的內宮裡面則是層臺疊翠、飛閣流丹；五步一樓，十步一閣；長廊如帶，迂迴曲折。跟隨桓溫參觀成漢皇宮的幕僚一邊看一邊發出不斷的贊嘆之聲，有的還拿著本子做記錄。桓溫感慨地對他們說：“‘殷鑒不遠，在夏後之世。’這就是我們能夠冒險得手的根本原因啊！”<101nove.d的十天後，李勢的大殿裡舉行了一個大規模的聯誼宴會，在宴會上，不但桓溫手下的重要參僚人員都參加了，而且巴蜀地區有名的官員和縉紳幾乎全部出席。在這次盛大的宴會裡，桓溫對所有與會者進行了一番長篇大論的即席發言。桓溫本來就有雄情爽氣，近日來的連番冒險成功使得他異常的興致高昂，他覺得在自己努力攀爬的人生當中還從來未有過如此的志得意滿。他的外表已經是雄姿英發、奇拔磊落，在他的慷慨陳詞中，他敘古論今，指點江山，激揚文字，直抒胸臆，他將成漢帝國失敗的教訓總結成“成敗由人，存亡系才”八個字，並且把他自己總結出來的那一套糅雜了儒家和道家思想的政治理想和“親賢臣，遠小人，庶竭駑鈍，攘除奸兇”的人才理念以氣薄雲天的男高音侃侃地表達出來，他的語調抑揚頓挫而富有韻律節奏，一時之間獲得了蜀中人士的點贊無數。
發言完畢後，桓溫不停地被敬酒和勸酒，根本沒有餘暇坐下來歇息。直到宴會散了之後，當地的名士和縉紳在回程當中還在不停地追味剛才桓溫的發言。到了這個時候，曾作過王敦手下屬官的尋陽人周馥終於出來說話了：“小樣，看看你們剛才那聽得那如痴如醉的樣子，要是讓你們見到當年的王敦王大將軍，那還不得飛起來呀！”
