昝坚赶到犍为，未遇晋军，便从沙头津(今四川新津南)渡江还军，却得知晋军已攻至成都城外十里陌，因此不战自溃。李势只得集结所有兵力，在成都城外的笮桥与晋军决战。当时战况惨烈，晋军前锋失利，参军龚护战死，汉军的箭矢甚至射到了桓温的马前。诸将皆惧，意欲退兵，而鼓吏却在这时误击前进鼓。袁乔乘势督促军士奋战，终于反败为胜，大败汉军。桓温趁胜攻入成都，并焚毁小城。李势乘夜逃走，远遁九十里，最终决定投降。桓温接受投降，将李势送往建康。成汉政权至此灭亡。

桓温平蜀后，在当地举任贤能，援引贤才为己用，将成汉旧臣王誓、王瑜、邓定、常璩等人辟为参军，成功安抚蜀地。但王誓、邓定不久便举兵叛乱，最终都被晋军讨平。桓温在蜀地留驻一个月，便班师返回江陵(今湖北江陵)。永和四年(348年)，朝廷封赏平蜀之功，欲封桓温为豫章郡公，却被尚书左丞荀蕤劝止。最终，桓温被封为征西大将军、开府仪同三司、临贺郡公。