蜀军派右车骑将军廖化率军往沓中增援姜维；左车骑将军张翼等前往阳安关口拒守。令汉中诸将放弃汉中外围据点，收缩兵力退保汉城(今陕西勉县东)、乐城。由于蜀军未对咽喉险道斜谷、骆谷、子午谷严加防守，被魏魏兴太守刘钦占领。钟会遂几路并进，直入汉中，留2万人围汉、乐二城，自率主力直下阳安关口，斩蜀将傅佥，收降蒋舒，继克关城(今陕西阳平关)，长驱南下。
邓艾命天水太守王颀直攻姜维营地，命令陇西太守牵弘等人邀击姜维的前部，而命令金城太守杨欣进击甘松。姜维闻钟会等部已入汉中，知汉中难保，急摆脱邓艾，退往阴平。杨欣等人追击，直到疆川口，双方大战，姜维败退，为抢先占桥头(阴平东南)的诸葛绪所阻。姜维从孔函谷佯作向北欲绕道而东，作出出兵攻击诸葛绪后部的样子，诱使诸葛绪离开桥头三十里向北堵击时，姜维乘机迅速通过桥头，与廖化、张翼等合兵，据守剑阁。诸葛绪赶去阻截，差了一天，没有赶上。
邓艾进至阴平，欲与诸葛绪合兵南下。诸葛绪不从，领军东向靠拢钟会。钟会欲专军权，诬告诸葛绪畏敌不前，将其押回治罪，随即统领大军南下，被姜维阻于剑阁。剑阁素有“一夫当关，万夫莫开”之称，姜维凭险据守，钟会攻剑阁不下，无计可施。时魏军因军粮不继，钟会准备退兵。
邓艾上书说：“今贼摧折，宜遂乘之，从阴平由邪径经汉德阳亭趣涪，出剑阁西百里，去成都三百余里，奇兵冲其腹心。剑阁之守必还赴涪，则会方轨而进。剑阁之军不还，则应涪之兵寡矣。
军志有之曰：‘攻其无备，出其不意。’今掩其空虚，破之必矣”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
十月，邓艾趁姜维被钟会牵制在剑阁，率军自阴平沿景谷道东向南转进，南出剑阁两百多里，钟会也派部将田章等跟进。邓艾率军攀登小道，凿山开路，修栈架桥，鱼贯而进，越过7百余里无人烟的险域。山高谷深，至为艰险。途中，粮运不继，曾多次陷入困境。部队走到马阁山，道路断绝，一时进退不得，邓艾身先士卒，用毛毡裹身滚下山坡。邓艾率军出其不意地直抵江油，迫降守将马邈。蜀国卫将军诸葛瞻(诸葛亮子)从涪城回到绵竹，列阵等待邓艾。
邓艾派其子邓忠攻打诸葛瞻的右翼，司马师纂攻其左翼。邓忠、师纂失利，退回，对邓艾说：“贼未可击。”邓艾大怒，说：“存亡之分，在此一举，何不可之有”(《三国志·魏书·邓艾传》)？大声叱责二将，并要将其斩首。二将策马奔回，挥军再战，邓艾也亲临督战，终大破蜀军，遂克绵竹，斩蜀将诸葛瞻及尚书张遵等人。
绵竹陷落后，蜀军全线崩溃。邓艾乘胜进击，一鼓作气攻陷雒县(今四川广汉北)，逼近成都。蜀后主刘禅惊恐失据，感到大势已去，在主降派劝导下，派人送上皇帝的印绶，并写信到邓艾那里请降。邓艾率军入成都，蜀汉灭亡。刘禅又派人去前线命令姜维等投降，姜维等得到命令，便到钟会军中投降。
此战，邓艾趁两军主力相持之际，率偏师出奇兵，进行大纵深迂回穿插，绕过蜀军的正面防御，直捣蜀都成都，创造了中国战争史上著名的奇袭战例。
邓艾入成都，刘禅率领太子、诸王、群臣六十多人绑住自己、抬棺至军营拜见。邓艾手执符节，解开绑缚，焚烧棺材，接受投降，并宽恕了他们。邓艾约束部众，进城后，没有发生抢掠。他安抚投降的人员，使他们复任旧业，受到蜀人的拥护。
魏灭蜀之战，是结束自东汉末年以来分裂局面，重新实现中国统一的重要步骤。灭蜀之役，邓艾之功不可没。
在巨大胜利面前，邓艾头脑有些不冷静。他擅自循东汉将军邓禹以前作法，以天子的名义，任命大批官吏。他拜刘禅行骠骑将军、蜀太子为奉车都尉、诸王为驸马都尉；对蜀国群臣，则根据其地位高低，或任命他们为朝廷官员，或让他们领受自己属下的职务。
邓艾任命师纂兼领益州刺史，任命陇西太守牵弘等人兼领蜀中各郡郡守。派人在绵竹把作战中死亡的战士跟蜀兵死者一起埋葬，修筑高台作为京观，用以宣扬自己的武功。
邓艾建此大功，深感骄傲，并且常常显示夸耀，引以为荣。他曾对蜀国士大夫们说：“诸君赖遭某，故得有今日耳。如遇吴汉之徒，己殄灭矣。”他还说：“姜维自一时雄儿也，与某相值，故穷耳”(《三国志·魏书·邓艾传》)。有识之士见他如此矜夸，背地里往往嘲笑他。
这些，成了野心家钟会置他于死地的口实。
姜维等人降于钟会后，钟会大喜，迫不及待地上表向司马昭表功，表上说：
“贼姜维、张翼、廖化、董厥等逃死遁走，欲趣成都。臣辄遣司马夏侯咸、护军胡烈等，径从剑阁，出新都、大渡截其前，参军爱青彡、将军句安等蹑其后，参军皇甫闿、将军王买等从涪南出冲其腹。臣据涪县为东西势援，维等所统步骑四五万人，擐甲厉兵，塞川填谷，数百里中首尾相继，凭恃其众，方轨而西。臣敕咸、闿等令分兵据势。广张罗网，南杜走吴之道，西塞成都之路，北绝越逸之径，四面云集，首尾并进，蹊路断绝，走伏无地。臣又手书申喻，开示生路，群寇困逼，知命穷数尽，解甲投戈，面缚委质，印绶万数，资器山积。昔舜舞干戚，有苗自服；牧野之师，商旅倒戈。有征无战，帝王之盛业。全国为上，破国次之。全军为上，破军次之。用兵之令典。陛下圣德，侔踪前代，翼辅忠明，齐轨公旦，仁育群生，义征不譓，殊俗向化，无思不服，师不逾时，兵不血刃，万里同风，九州共贯。臣辄奉宣诏命，导扬思化，复其社稷，安其闾伍，舍其赋调，弛其征役，训之德礼以移其风，示之轨仪以易其俗，百姓欣欣，人怀逸豫，后来其苏，义无以过”(《三国志·魏书·钟会传》)。
十二月，魏帝下诏书，褒奖邓艾的功绩，书曰：“艾曜威奋武，深入虏庭，斩将搴旗，枭其鲸鲵，使僭号之主，稽首系颈，历世逋诛，一朝而平。兵不逾时，战不终日，云彻席卷，荡定巴蜀。虽白起破强楚，韩信克劲赵，吴汉擒子阳(子阳为公孙述)，亚夫灭七国，计功论美，不足比勋也。其以艾为大尉，增邑二万户，封子二人亭侯，各食邑千户”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
钟会也因花言巧语博得了司马昭的欢心，遂进位司徒，封县侯，增邑万户，其子二人也都封为亭侯，邑各千户。
从这时候起，邓艾开始遭到司马昭的猜疑。
当邓艾灭蜀之后，便向司马昭提出了自己对局势的看法和准备采取的措施：“兵有先声而后实者，今因平蜀之势以乘吴，吴人震恐，席卷之时也。然大举之后，将士疲劳，不可便用，且徐缓之；留陇右兵二万人，蜀兵二万人，煮盐兴冶，为军农要用，并作舟船，豫顺流之事，然后发使告以利害，吴必归化，可不征而定也。今宜厚刘禅以致孙休，安士民以来远人，若便送禅于京都，吴以为流徒，则于向化之心不劝。宜权停留，须来年秋冬，比尔吴亦足平。以为可封禅为扶风王，锡其资财，供其左右。郡有董卓坞，为之宫舍。爵其子为公侯，食郡内县，以显归命之宠。开广陵、城阳以待吴人，则畏威怀德，望风而从矣”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
邓艾不骄矜、不伐功，一心筹画灭吴之策，他的种种建议实具远见卓识。然而他擅自承制拜官，已经让司马昭不高兴，这时又提出留兵蜀中，引起司马昭的猜疑。
于是司马昭却让监军卫罐告诫邓艾：“事当须报。不宜辄行”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
邓艾不以为然，再次上言，说：“衔命征行，奉指授之策，元恶既服；至于承制拜假，以安初附，谓合权宜。今蜀举众归命，地尽南海，东接吴会，宜早镇定。若待国命，往复道途，延引日月。《春秋》之义，大夫出疆，有可以安社稷，利国家，专之可也。今吴未宾，势与蜀连，不可拘常以失事机，兵法，进不求名，退不避罪，艾虽无古人之节，终不自嫌以损于国也”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
而钟会、胡烈、师纂等人见邓艾居功自恃，乘隙向司马昭诬告其谋反，说他作的事情悖逆不道，已经露出叛乱的苗头。于是，朝廷下诏书派监军卫罐逮捕邓艾父子，用槛车将其送到京都来。景元五年(264年)正月十五，钟会抵达成都，将邓艾押往洛阳。这时，钟会麾下有魏、蜀军队二十余万。钟会排除了有灭蜀大功的邓艾，又掌握庞大的远征军，遂密谋反叛。司马昭对钟会怀有野心早有戒备，遣中护军贾充率1万步骑入蜀进占乐城，随即亲率10万大军进驻长安，使钟会措手不及。钟会遂扣押魏军所有将领，并出示废黜司马昭的所谓太后遗诏，蜀降将姜维怂恿钟会诛杀被扣将领，预谋趁机杀掉钟会，恢复蜀汉。因钟会迟疑而消息泄露，十八日中午，护军胡烈之弟胡渊率烈部众擂鼓呐喊而出，各营官兵为营救本部将领也一起响应，蜂拥杀入蜀宫，被拘宫内的将领们冲出与其部众会合。双方在宫城内外展开激战，斩姜维、钟会及部众数百人，杀蜀太子刘璿和姜维妻子。魏军大肆掠劫，后由监军卫瓘收拾稳定局势，因其参与诬谄邓艾，遂派护军田续追杀邓艾父子于绵竹(今四川德阳)西。邓艾在洛阳的余子也被诛杀，邓艾妻和孙子被发配到西城。
当初，邓艾要伐蜀时，梦见坐在山上，旁有流水，便去向殄虏护军爱邵请教。爱邵说：“按照《易》卦，山上有水叫蹇卦。蹇利西南，不利东北。您这次去一定能攻克蜀国，但也许回不来了呢！”邓艾茫然若失。
邓艾的死，实在冤枉。泰始元年(265年)，晋王朝取代了魏。下诏书说：“昔太尉王淩谋废齐王，而土竟不足以守位。征西将军邓艾，矜功失节，实应大辟。然被书之日，罢遣人众，束手受罪，比干求生遂为恶者，诚复不同。今天赦得还，若无子孙者听使立后，令祭祀不绝”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
泰始三年(267年)，议郎段灼上书，替邓艾不平，书曰：“艾心怀至忠而荷反逆之名，平定巴蜀而受夷灭之诛，臣窃悼之。借哉，言艾之反也!艾性刚急，轻犯雅俗。不能协同朋类，故莫肯理之。臣敢言艾不反之状。昔姜维有断陇右之志，艾修治备守，积谷强兵。值岁凶旱，艾为区种，身被乌衣，手执耒耜，以率将士。上下相感，莫不尽力。艾持节守边，所统万数，而不难仆虏之劳，士民之役，非执节忠勤，孰能若此?故落门、段谷之战，以少击多，摧破强贼。先帝知其可任，委艾庙胜，授以长策。艾受命忘身，束马悬车，自投死地，勇气陵云，士众乘势，使刘禅君臣面缚，叉手屈膝。艾功名以成，当书之竹帛，传祚万世。七十老公，反欲何求。艾诚恃养育之恩，心不自疑，矫命承制，权安社稷；虽违常科，有合古义，原心定罪，本在可论。钟会忌艾威名，构成其事。忠而受诛，信而见疑，头悬马市，诸子并斩，见之者垂泣，闻之者叹息。陛下龙兴，阐弘大度，释诸嫌忌，受诛之家，不拘叙用。昔秦民怜白起之无罪，吴人伤子胥之冤酷，皆为立祠。今天下民人为艾悼心痛恨，亦犹是也。臣以为艾身首分离，捐弃草土，宜收尸丧，还其田宅。以平蜀之功，绍封其孙，使阖棺定谥，死无余恨。赦冤魂于黄泉，收信义于后世，葬一人而天下慕其行，埋一魂而天下归其义，所为者寡而悦者众矣”(《三国志·魏书·邓艾传》)。
泰始九年(273年)，皇帝下诏书说：“艾有功勋，受罪不逃刑，而子孙为民隶，朕常愍之。其以嫡孙朗为郎中”(《三国志·魏书·邓艾传》)。算是为邓艾平了反。
邓艾在西部时，修筑界墙关塞，建立城堡。泰始年间，羌人发动大叛乱，多次杀害刺史，凉州道路断绝。官吏百姓之所以能够保全，全靠邓艾当年修筑的城堡。
点评：邓艾是三国未期最为杰出的军事家，其才能可比诸葛亮与司马懿。邓艾在战争中目光远大，见解超人，具有难得的战略头脑。作战中料敌先机，始终能掌握战场的主动权，在与姜维的数次交战中未尝败绩。其偷度阴平一役，堪称中国战争史上历次入川作战中最出色的一次，已作为军事史上的杰作而载入史册。
邓艾在生活中能与将士同甘共苦，在作战中又能身先士卒，种田时手执末耜，阴平道上，他以毡自裹，推转而下。正因为他能处处作出表率，部队才上下相感，莫不尽力，取得一系列的胜利。
但邓艾虽善于作战，却不善自保。史学家陈寿在《三国志·魏书·邓艾传》中对此作了客观的评论：“邓艾矫然强壮，立功立事，然暗于防患，咎败旋至，岂远知乎诸葛恪而不能近自见，此盖古人所谓自论者也。