建安十八年（213），张飞奉命同诸葛亮、赵云沿长江而上，入川增援刘备，夺取益州。途经巴州（今重庆江北区），他领兵攻克之，生擒刘璋巴郡太守严颜。张飞呵斥道：“我大军驾到，何以不早降而敢抗拒对战？”严颜义正词严回答说：“尔等不仁，侵夺我州土地，我州只有断头将军，无有降将军！”张飞大怒，令左右推出斩首，严颜面不改色，泰然自若，说：“砍头便砍头，何必如此恼怒！”张飞见状，十分佩服严颜的忠义和胆气，便亲自为他解去绳索，待为座上宾客。然后，张飞率军继续推进，沿途攻城陷郡，攻无不克，战无不胜，与刘备会师于成都。刘备据有成都后，张飞为巴西太守，驻阆中（今四川阆中）。

建安二十年（215），曹操攻占汉中，留大将夏侯渊与张郃镇守。二人常常领兵入川侵犯。一次，张郃督军下巴西，欲抢掠百姓以归汉中，张飞率军相拒。两军在宕渠（今四川渠县）相持五十余日，不分胜负。张飞便运用计谋出奇兵，率精兵万人从另一条路绕至张郃军后击之。张郃军因在狭窄的山道中，前后不能相救援，被张飞各个击破。张郃大败，只得弃马沿山与十余人狼狈从小道逃走，领军龟缩回南郑（今陕西汉中南郑区），再也不敢出来。从此，巴西一带获得安宁。

建安二十二年（217），刘备领兵争汉中，同时派张飞、马超、吴兰等入陇右，屯下辨（今甘肃成县），以争武都郡，曹操即遣曹洪相拒。“张飞屯固山，欲断军后”（《三国志·曹洪传》）。张飞欲抄袭曹军之后，但曹洪伏兵潜行，击破吴兰，使张飞军失去呼应之势，张飞只得领兵退回汉中。后刘备为汉中王，“拜张飞为右将军，假节”。刘备即帝位，张飞又迁车骑将军，领司隶校尉，进封西乡侯。