大约在刘裕顺利处理了诸葛长民以后，他才下令西征军向蜀地进发，这可以从《宋书·朱龄石传》中称朱龄石开始伐蜀是在义熙九年这一记载中得到印证。两年前，当刘裕全力对付卢循之时，荆州刺史刘道规虽然击败了西蜀先头部队桓谦、苟林，但是，西蜀后继部队谯道福却攻陷了巴东（四川省奉节），斩杀了巴东守将温祚、时延祖，将势力范围向东推进到了白帝。
义熙九年六月，朱龄石率领的西征大军进抵白帝，此时，西蜀势力大约已经从白帝退去，在进军途中，各军将领均不知道自己的攻击路线，到了白帝以后，朱龄石打开了刘裕的书信，只见信中写道：“主力部队全部从外水（岷江）进攻成都，臧熹、朱林从中水（沱江）进攻广汉（四川省广汉县），命令老弱病残之兵乘坐十几条高大的战舰，从内水（涪江）向黄虎（四川省绵阳）进发。”于是，西征军按照刘裕的指示，倍道兼行，分头向成都扑来。
谯纵果然命令谯道福率领重病防守内水上游的涪城（四川省三台县境），而派遣征讨都督谯亢、前将军、秦州刺史侯辉，尚书仆射、蜀郡太守谯诜等率领一万人马，驻守在外水上游的彭模（四川省彭山县境），设置层层木栅，夹水为城。
同月，朱龄石的主力部队即迅速推进到了彭模，距离成都仅二百多里。当时，蜀军号称三万，分据岷江南北两座城池，北城驻扎有重兵，而南城则兵力薄弱，属于牵制部队。宁朔将军刘钟当时患有脚病，不能行动，朱龄石亲自找到刘钟商议，他说：“如今天气炎热，则敌人固守险要，我军强攻，不一定能够得手，只会徒增我军将士的疲劳。我想，考虑到敌人人心不稳，势必将出现内讧，而且，我们也应养精蓄锐，等待敌人有隙可乘，这样方保成功。不过，决策于两军之间，主公本有既定的方针，你有什么看法？”朱龄石深知刘钟是刘裕的心腹旧将，所以才有此问。果然，刘钟回答：“你说的不合适。前不久，我军声称主力从内水北上，谯道福不敢舍弃涪城，如今，我主力大军突然出现在此，出其不意，敌人早已惊慌失措。如今，他们固守险要，就是因为害怕与我决战，并非能够坚守此地。趁着敌人方寸已乱，全力发起进攻，一定能够战胜。攻克平模以后，我军再乘胜进攻成都，成都也难以固守了。如今如果迟疑不进，敌人将知道我军的虚实，届时，涪城之兵南下增援，合兵一处与我相抗，敌人人心安定，良将又到，这样以来，我军求战不能，粮食吃完，肯定会被蜀人活捉啊！”朱龄石听了刘钟的一席话，感觉有理，于是，决定立即部署对面前蜀军的进攻。在决定打击方向时，晋军众将均认为北城地势险要，敌人众多，不如先弱后强，率先进攻南城。但是，主帅朱龄石却说：“你们说的不对。虽然敌人在北城，如今即使消灭了南城，也不足以影响到北城的防御；如果拼尽全力拿下北城，则南城就不攻自破了。”
七月，晋军投入全部精锐对北城从四面发起了总攻，战斗从当天清晨开始，一直持续到太阳偏西，经过将近一整天的苦战，晋军终于攻陷了平模北城，焚烧了蜀军大量战舰，阵斩了蜀军大将侯辉、谯诜，然后，晋军回师再进攻南城，南城守军登时奔溃，此战晋军共斩杀十五员蜀军大将，平模附近蜀军的各个堡垒顿时土崩瓦解，于是，晋军丢下战舰，从陆地朝成都挺进。与此同时，从中水而上的刘裕妻弟、龙骧将军臧熹，也进抵广汉城下。谯纵命令大将谯纵大将谯抚之率领一万多人，驻守在牛脾城（四川省简阳县西），另外派遣谯小苟固守打鼻（疑在四川省彭山县岷江西岸）。臧熹、朱林率军进攻牛脾城，谯抚之战败被杀，谯小苟听说谯抚之战败，也仓皇退去，不久，臧熹即在牛脾城得病去世，年仅39岁，其子即为刘宋时期的大将臧质。
七月五日，得知各处均遭到惨败的消息，西蜀主谯纵仓皇逃离成都，西蜀尚书令马耽封好府库，以待晋军。七月九日，朱龄石大军兵不血刃顺利进入成都，诛杀了谯纵同一个爷爷以下的近亲，其余人员一个不杀，恢复正常生活。谯纵逃离成都以后，先拜别祖先的坟墓，他的女儿说：“我们逃跑是肯定逃不掉的，只会自取其辱罢了。同样是死，就死在祖先的坟墓旁吧。”谯纵不从，继续北上前往涪城，打算投奔谯道福。然而，驻守涪城的谯道福听说平模惨败之后，即率领五千精锐部队火速南下，准备协防成都，双方在途中相遇，谯道福看到谯纵竟然弃城而来，不禁大怒，说道：“大丈夫拥有如此功业，岂能白白丢掉！如今，即使要当俘虏，怎能当成！人生谁不会死，又有什么可怕的啊！”谯道福愤怒之极，竟朝谯纵扔来宝剑，刺中了谯纵的马鞍。谯纵脱离谯道福，逃入山林上吊而死，巴西百姓王志将其头颅割下，送交朱龄石。谯道福看到谯纵已死，为了稳定军心，他对部下说：“我豢养你们，就是为了今天！蜀国的生死存亡，全在于我，而不在谯王。谯王虽然自杀了，但我谯道福尚在，我们还能继续战斗！”大家都表示同意。于是，谯道福将随身的金银布帛全部散给将士们，然而，成都陷落、谯纵身死，已经让大家丧失了信心，再无战心，人们接到赏赐以后，都四散而去。谯道福只身逃往獠人部落，被巴西人杜瑾逮捕，将他送交朱龄石，朱龄石下令在军营门前，将其诛杀。朱龄石将马耽流放到越巂（治所在四川省西昌东南），途中，马耽对家人们说：“朱龄石不将我送归京师，是担心我向朝廷反映他盗取大量西蜀财宝，这是要杀人灭口啊，此行我必死无疑。”于是，他洗漱完毕，安详地躺在床上，自杀而死。马耽刚死，朱龄石派来的追兵就到了，将其斩首。桓谦的弟弟桓恬时任西蜀宁蜀（四川成都双流境内）太守，此时也被斩杀。朱龄石任命司马沈叔任（沈劲之孙）为西夷校尉、巴西梓潼太守，率军驻守涪城，征蜀主力撤离以后，当地人侯产德等人聚集近一万多人作乱，进攻涪城，当时，沈叔任的守军不足五百人，他激励将士，出城迎战，一举大破叛军。原本朱龄石占领成都以后，没有大开杀戒，侯产德叛乱以后，朱龄石严加追究，牵连、诛杀了很多人。
东晋朝廷以平蜀之功，加封朱龄石为辅国将军、监梁州之巴西梓潼宕渠南汉中、秦州之安固怀宁六郡诸军事，丰城县侯，食邑千户。