要往西从水路入蜀，就要打造大量的战船。不过在造船的过程中遇到了一个小麻烦，就是铁钉不够了。这时，原荆州刺史陶侃当年的远见就发挥作用了。原来以前荆州造船时所剩下的竹根、竹梢和木屑，陶侃都令人登记收管起来，别人都不知道他想干嘛。后来正赶上官员集会，积雪开始化开，厅前泥泞难走，陶侃便派人以木屑铺地。等到桓温要攻打成汉的时候，又得以用陶侃所贮备的竹头充当造船所需的钉子。这样，所有的废料都派上了用场了，陶侃的远见惠及了后世的桓温。
永和二年（公元346年）十一月十一日，建船完毕后，桓温在向朝廷发出自己要带兵西进的奏章之后，不等回复就命令部队誓师进发了。时年三十五岁的桓温亲率荆州的精兵以及益州刺史周抚，南郡太守、谯王司马无忌的部队一共一万多人，向着成汉国境内长途奔袭而去。晋军分为两路，江夏相袁乔率两千精锐为前锋，走陆路从前面开路；而桓温则与益州刺史周抚、南郡太守谯王司马无忌坐船走水路，溯江而上。
在临出发之前，他任命安西将军长史范汪为留守，负责后方事务；又加授周抚为都督成汉境内的梁州汉中、梓潼、巴西、阴平四郡诸军事。
庾翼在建元元年七月北伐前曾令周抚、曹据伐李寿“败其将李恒于江阳”。从此，周抚的部队已经控制了江阳及下游的巴郡，因此桓温部队在开始阶段的进军过程是比较顺利的。
桓温带兵入蜀的消息传来后，朝中上下除了对桓温越权行为纷纷表示不满外，同时也对这支孤军的命运表示非常的担忧，只有刘惔淡淡地说：“桓温此举一定能够成功！”。别人就问这是为什么，刘惔回答道：“我的判断来自于过去与桓温赌博的经验。桓温是个赌徒，在赌博的时候，他如果没有必胜的把握，是绝不会下赌注的。我所担心的不是他能不能灭掉成汉，反而是担心等他灭掉成汉之后，会利用灭国之余威来控制朝廷，那时我们就都得听他的了。”
刘惔的评论只是宏观上的坐而论道，但实际中的情况和困难却远不止想象中的那么简单，身为主帅的桓温更是感觉压力山大。由水路往西进入蜀地，必须经过两岸如削、岩壁高耸的长江三峡，而三峡水道一路上是激流险滩，而且落差很大，只能靠纤夫拉船，缓缓逆流而上。幸亏成汉国当局觉得这三峡水道自古以来就是无法攻破的天险，压根没有想到晋军会从这条水路进军，他们的防御力量主要布置在北方的战线上，压根就没有在三峡的险要地形处派上一兵一卒进行防御，否则的话晋军就是拼上个三五年也未必能打通够逆流而上的水路。
当大军进入巫峡后，军中有人捕捉到一只小猴子，就把它带到船上，那只小猴子的母亲沿岸哀哭嚎叫，跟着走了一百多里路也不肯离去，到了补给和休息时间，船一靠岸，那母猴拼尽最后一口气跳到船上后，就已经断气了。士兵们剖开它的肚子看，只见母猴的肠子都是一寸寸的断裂开来的。从后面赶至的桓温听到前面的士兵在喧哗，就上前问发生了什么事情，当他听到此事的经过后，一阵凄酸不忍的感觉马上涌上心头，他当即下令把抓小猴子来戏弄的那个好事者给开走了。
桓温生完气后，看着两岸险峻巍峨的高山，又看了看脚下湍急的江水，他越看越觉得此行风险重重，危机四伏。他在出兵之前已经尽可能地预计了此行的艰险，但是实际上所遇到的种种困难还是远远的超出了他的原先的想象，不过，尽管前路漫漫，这时已经没有办法再走回头路了，他不由得自言自语地感慨道：“既然选择了要作忠臣，就不能再作孝子了啊！”桓温的这番话里面有一段典故：西汉时王阳入蜀为益州刺史，见蜀道危险，就以身体发肤受之父母，不能轻易冒险为由，辞官而回。后来王尊入蜀当官经其故道，却说道：“王阳为孝子，王尊为忠臣”，说罢疾驱而过。儒家的孝道被王阳如此利用，当时却备受舆论的称许。桓温此言实是有感而发，从这番话里我们既可以体会到他那种视死如归的豪迈气概和冒险精神，也能够理解到他内心中对此去的胜负之数的忐忑。
桓温大军过得白帝城后继续溯江西上，来到了鱼复县治所南岸的鱼腹浦，只见在平沙之上，用石块垒成八行，每行长百余丈，彼此相距约二丈。桓温的幕僚和军事将领们见这些石阵排列有序，但是谁都说不出这是什么阵型。桓温曾经跟从五兵尚书蔡谟学过阵法，就忽悠大家说：“你们不知道吗，这就是古人常说的常山蛇势啊！”，他还凭自己的想象解释了一通如何击其首则尾至，击其尾则首至，击其中则首尾俱至，他还讲得头头是道，似模似样的，以致大家对他都佩服得不得了。
桓温的远征军迅速穿越了成汉国的巴郡（今重庆市）、江阳郡（今泸州市），然后折向岷江，进入合江，抵达青衣渡口（即鱼涪津，在今四川省乐山市）。这时，已经到了永和三年（公元347年）的二月。经过三个月的长途行军，桓温亲自带领的这只孤军已经将重重的险阻抛在了身后，一路深入到了成汉王国的腹地。
这时，成汉国主李势终于发现到这一支来自东晋军队已经能够对自己的政权构成非常现实的威胁了，惊恐之下，他下令动员附近所有能够调动的军队以阻止桓温的这支孤军向cd靠近，他命令叔父右卫将军李福、堂兄镇南将军李权、前将军昝（音：zan）坚等人，率军数千从山阳（峨眉山之南）向乐山附近集结。乐山位于岷江、大渡河、青衣江三江的交汇处，岷江由北偏东向南，青衣江由西北汇入，大渡河（其时称沫江）由西偏南而来。
李福和李权原打算在岷江南岸设下埋伏，以等待晋军的自投罗网，但是昝坚却认为桓温很有可能从乐山沿着岷江东岸北上，因此，打算先引军北撤至更远处的彭山，然后再予以晋军一个迎头痛击。于是，汉军分兵三路，其中昝坚的部队从青衣江北鸳鸯碕渡江向犍为郡（四川省彭山县）进发。
永和三年（公元347年）三月，桓温大军继续北上，进抵彭山县南的彭模，在这里，桓温召开了一个军事会议，以决定下一步的行动方案。在会议上，有人提议这时应该兵分两路，先是齐头并进，最后分进合击，以此来迷惑汉军的防守。袁乔则发表意见说：“如今我们已经孤军深入到万里之外，如果胜利就可以建立不世的大功，一旦失败就尽死无疑。我们的军队本来就不够多，这时应当聚集在一起，齐心协力，以争取一战成功。如果兵分两路，则力量不能集中，万一其中一路覆灭了，整个的讨伐计划就完蛋了。不如以完整的队伍前进，扔掉做饭的炊具，只带三天的军粮，以显示义无反顾的决心，这样肯定可以取胜。”
桓温再三考虑之下还是决定采纳袁乔的建议，他让参军周楚（周抚之子）、孙盛二人带着比较羸弱的士兵驻守在彭模的大本营中以保护全军的后勤辎重，而自己则亲率主力步兵从山阳前出岷江南岸。与此同时，当汉军昝坚率部抵达犍为郡之后，却发现自己所判断的晋军的进军路线与实际发生了偏差，于是，又从沙头津（彭山县北）再次渡江拦截。
而狡猾的汉军右卫将军李福则率领自己的部队对晋军的彭模后方基地发起了一波又一波的进攻。不过，尽管李福做出了正确的决策，但是却无法达成目标。因为留守在此的周楚、孙盛部队尽管在人数和素质上都比不上主力部队，战意却是十分的昂扬，毕竟大家都清楚地知道，己方劳师远征在外，老窝一旦被端，全军都会死无葬身之地。李福屡次发动攻击，但是都始终无法战胜背水一战的对方，损兵折将之下，就只好知难退却了。
而桓温所部主力则与驻守在北上道路上的汉军镇南将军李权所部展开了激战。由于成汉军队一分为三，李权所部根本无法抵抗桓温主力的猛烈攻击，晋军三战三捷，打得李权全军溃散，溃败后的军队都逃回了cd，而镇军将军李权因为担心打了败仗回去肯定没有好果子吃，干脆直接向桓温投降算了。
桓温的这只远征军穷追猛打，进展神速，昝坚所部只得继续跟随北上。当桓温的主力已经抵达了距离cd城只有十里远的十里陌的时候，昝坚这支连续做了好几天折返跑的疲惫之师终于在后面赶上晋军了，不过，当看到面前这支阵型严整的虎狼之师那气势汹汹的样子，还没等对方发动攻击，就已经军心散乱了，等到晋军的战鼓刚一擂响，他们马上就自行溃散了。
其实以cd城防的那种坚固程度，桓温想把它拿下还是相当的不容易。他一路孤军深入，粮草和给养的补给极端困难。别说拖上一、两个月，就算是原地不动待上个十来天，不用别人打，饿都得饿死。偏偏就在这个关键的时候，有个人站出来替桓温解决了这个大问题。值得讽刺的是，这个来帮忙的人就是成汉皇帝李势。
李势以他那天才般的军事智商，下令召集起cd城里的所有军队，并且以宫中的大批金银财宝作为犒赏，欲全力与桓温在城外决一死战。
于是，双方在cd城东南两公里处的筰桥展开了一场你死我活的殊死搏斗。这场双方都不留退路的决战打得异常的惨烈，李势当时就站在cd南门的城墙上亲自督战。重赏之下必有勇夫，加上国主的亲自督战下，一天前还象是豆腐做的成汉军队一下子判若两军，似乎就已经变成了经得起敲打的核桃军了。桓温所部在接战后并没有能够象原先预想的那样一下子就取得战场的主动权，因为负责进攻的前锋部队在对方的强硬防御下根本无法取得有效的突破。由于敌方人数占优，一旦不能以主动的攻势打散对方的阵型，人数少的一方就会越来越难熬。
就这样双方不断地相互消耗，相互绞杀。尽管晋军的训练水平要比对方高很多，但是对方一旦起了拼命的念头，这就很难以人少打人多了。在胶着的混战当中，正在前线督战的桓温的参军龚护阵亡了，就连精锐的前锋——袁乔所部也不得不往后退却，乱箭还一度落到了正在紧张地观察战况的桓温的马头前。这时，晋军已经因为拼斗多时而疲惫不堪了，而敌人不但不见退却，反而越打越起劲！
此时就连身为主帅的桓温也不免心惊：再这样继续拼下去的话，可能整支部队都得拼完。这时，气喘吁吁的袁乔退到桓温身边说：“使君，看来要出动虎贲营了！”
虎贲营人数不多，只有八百多人，不过却是桓温手下最精锐的部队，他们由荆州的猛士经严格挑选而成，平时也对他们进行了最严格的训练，每人都是能够以一敌众的猛士，可以说是精英中的精英。桓温本来是把虎贲营作为预备队而使用的，如果太早把这支精兵消耗掉的话，一旦失败就连逃跑的机会都没有了，所以桓温在对这支部队的使用上一直都是慎之又慎，他必须要在最危急或者最关键的时候才会动用到这支精兵。
桓温在敌人的飞箭已经落到自己的马头附近后，就已经让虎贲营做好出击的准备：如果不得已要撤兵，虎贲营就要冲上去接应，以帮助压稳己方的阵脚；如果要发动孤注一掷的最后一击，那么虎贲营就是一把直接刺向敌人心脏的尖刀。现在桓温听到袁乔这么一说，马上向身边的传令官下达了虎贲营出击的号令。接着，晋军的后方就响起了发动总攻的战鼓之声！
当听到这振奋人心的战鼓在自己阵地的后方隆隆作响，正在前方浴血奋战的晋军就已经知道期待已久的虎贲营终于出动了。
这雄壮而频密的鼓声让人们完全忘记了对面前敌人的畏惧，一时间，晋军士兵呐喊声四起，本已疲惫不堪的身体仿佛注入了一股神奇的力量，转而信心百倍地与前面的汉军进行殊死的搏斗。前锋官袁乔则顺手拿起虎贲营的战旗，领着虎贲营往对方阵地当中最薄弱的地方冲去，准备来一个底线传中。
面对晋军突如其来的一波猛烈攻击，对方一下子懵住了，信心开始动摇。随着核心阵地的侧翼被晋军虎贲营的攻击所突破，成汉军队的士兵们已经能够看见在自己阵地的后面扬起了晋军的旗帜，他们顿时军心大乱，而苦战已久的晋军则军心大振。在奋勇向前的晋军面前，成汉军队全线崩溃，兵败如山倒，成汉士兵除了被斩杀者外皆四散奔逃，纷纷从小路绕回cd。
晋军在击破汉军后马上直抵cd城下，桓温命令部队放火焚烧了cd小城的城门。这是他和幕僚们原先就制定的攻城策略，因为他们孤军远征，根本不可能携带大型攻城设施，只能通过巧计破城。
看见各处城门渐次被烧，城内的李势君臣士众再也无心再战，中书监王嘏（音：古）、散骑常侍常璩（音：屈，《华阳国志》的作者）等劝说李势学刘禅的故事投降，李势则征询侍中冯孚的意见，冯孚却说：“过去吴汉伐蜀，尽灭公孙氏，如今，晋军下书，并没有说要赦免李家，如果投降，恐怕也不能生全。”
于是，就在当夜，李势带着昝坚等少数几个亲信，趁夜打开cd的东城门，狼狈地北逃至晋寿（四川省广元市西南，即葭萌关）。
晋穆帝永和三年（公元347年）三月九日，桓温进入cd，他入城后采取了各项的安民措施，约束了士兵的违法行为，并向成汉国的投降大臣们逐一了解成汉国曾经经历过的各种内部情况，并和他们一同探讨成汉国衰落的各种内外部原因。他觉得成汉国的司空谯献之、散骑常侍常璩、尚书仆射王誓和中书监王瑜等人才识非凡，很为他们遇到了一个昏君而可惜，于是他将谯献之、常璩、王誓、王瑜以及镇东将军邓定等人暂时任命为自己的参军，并且对他们说要为他们向朝廷进行推荐。经过桓温一系列的诏安抚慰工作，“举贤旌善，蜀人悦之”。
桓温劳累之余参观了成汉的宫室，只见这皇宫的前面部分是巍峨高耸的宫殿群，端的是穷奢极欲、气势不凡，后面部分的内宫里面则是层台叠翠、飞阁流丹；五步一楼，十步一阁；长廊如带，迂回曲折。跟随桓温参观成汉皇宫的幕僚一边看一边发出不断的赞叹之声，有的还拿着本子做记录。桓温感慨地对他们说：“‘殷鉴不远，在夏后之世。’这就是我们能够冒险得手的根本原因啊！”
桓温进入cd的十天后，李势的大殿里举行了一个大规模的联谊宴会，在宴会上，不但桓温手下的重要参僚人员都参加了，而且巴蜀地区有名的官员和缙绅几乎全部出席。在这次盛大的宴会里，桓温对所有与会者进行了一番长篇大论的即席发言。桓温本来就有雄情爽气，近日来的连番冒险成功使得他异常的兴致高昂，他觉得在自己努力攀爬的人生当中还从来未有过如此的志得意满。他的外表已经是雄姿英发、奇拔磊落，在他的慷慨陈词中，他叙古论今，指点江山，激扬文字，直抒胸臆，他将成汉帝国失败的教训总结成“成败由人，存亡系才”八个字，并且把他自己总结出来的那一套糅杂了儒家和道家思想的政治理想和“亲贤臣，远小人，庶竭驽钝，攘除奸凶”的人才理念以气薄云天的男高音侃侃地表达出来，他的语调抑扬顿挫而富有韵律节奏，一时之间获得了蜀中人士的点赞无数。
发言完毕后，桓温不停地被敬酒和劝酒，根本没有余暇坐下来歇息。直到宴会散了之后，当地的名士和缙绅在回程当中还在不停地追味刚才桓温的发言。到了这个时候，曾作过王敦手下属官的寻阳人周馥终于出来说话了：“小样，看看你们刚才那听得那如痴如醉的样子，要是让你们见到当年的王敦王大将军，那还不得飞起来呀！”