永和三年二月，桓温军至青衣（今四川名山北），成汉主李势以其叔父李福、族兄李权和大将咎坚为统帅，发兵阻拦桓温大军。桓温军从另道而进，三月，进至彭模（今四川彭山县）。这时，有人建议桓温分兵两处，异道而进，以分散汉兵兵力。袁乔说：“今深入万里，置之死地，士无反顾之心，所谓人自为战也。今分为两军，军力不一，万一偏败，则大事去矣。不如全军而进，弃去釜甑，赍三日粮，胜可必矣。”②桓温以袁乔所言为是，乃留辎重于彭模，命参军周楚、孙盛率羸兵看守，自率大军直趋成都。这时成汉李福等人转头进攻彭模，周楚、孙盛奋力将其击退。桓温大军一路上三战三捷，又击败李权等汉军。汉军溃散，从小路逃回成都。桓温进逼成都，汉主李势倾全部兵力出城，与桓温军激战于成都城之笮桥（在今成都市西南，桥用竹索编成）。桓温前锋出战不利，参军龚护战死，晋军皆惧，意欲退军，前锋袁乔声色俱厉，拔剑督士卒死战，遂大破汉军。桓温乘胜攻入成都，纵火烧成都小城（内城），李势乘夜逃走，远遁九十里。不久，李势见大势已去，先使散骑常侍王幼送降文，然后舆榇面缚诣桓温军门投降，成汉遂被桓温灭掉。
桓温既平蜀，在李势殿上置酒大宴将佐参僚，当地缙绅皆来庆贺。桓温生性豪爽，气度不凡，加上新平蜀地，志得意满，在宴会上神采飞扬，历数古今成败由人，存亡系才之事。他“音调英发，”“其状磊落，一座叹赏。既散，诸人追味余言”③。
桓温驻军蜀地，援引成汉政权中的贤才为己之用，像成汉尚书仆射王誓、中书监王嘏、镇东将军邓定，散骑常侍常璩等，皆蜀地一时之选，桓温并用为参军。但不久，王誓、邓定等复反，众各万余，桓温一一讨平。桓温大军驻蜀三十日，然后凯旋，回师江陵（今湖北江陵县）。永和四年，桓温以平蜀之功，进位征西大将军、开府、封临贺郡公。一时威名大振。
时晋廷中穆帝年幼，康帝皇后褚太后临朝摄政。桓温伐蜀时拜表辄行，已引起朝廷疑忌，待其平蜀，更怕他威名过大而日后难制。于是辅政的会稽王司马昱乃使在朝野中素具盛名的扬州刺史殷浩参综朝政，以期能对桓温有所抑制。桓温对此很是不满，但他与殷浩素相识，知其不会有多大作为，并①《晋书》卷七五《刘惔传》。
②《晋书》卷八三《袁乔传》。
③《世说新语·豪爽篇》。
不惧怕。此后，桓温经营荆州，“在州宽和，百姓安之”①。同时渐露不臣之心，与晋廷虽名为君臣，实际在荆州自行其事。晋廷对桓温已不能征调如意，但求羁縻而已。桓温平蜀后，又加督交、广二州诸军事②，此时，他所督荆、司、雍、益、梁、宁、交、广八州“士众资调，殆不为国家用”。但因当时国中无事，君臣尚能相安一时。
