，率军入蜀。
公元212年，刘备假意答应刘璋北伐张鲁，进军葭萌。不想张松暗助刘备之事败霞被杀，于是刘备以此借口与刘璋决裂。
刘备掌控益州后，急需与蜀中大族豪强搞好关系。法正就向刘备建议，纳娶刘璋旧将吴懿之妹吴氏为妻。吴氏原系刘璋之兄刘瑁之妻，刘瑁病故后守寡。刘备认为自己与刘瑁同族，这么做有违礼法。法正就以"晋文公尚且可以娶亲侄之妻而未遭到礼法抨击"为由，打消了刘备顾虑。从而获得刘璋诸多部将的拥戴，并使益州名门望族如许靖等也认同刘备。法正功盛，升任蜀郡太守、扬武将军。
深得刘备器重的法正，亦有睚眦必报之缺，他对以往对其有过恩惠的人皆予照顾，对以往与他有过矛盾的人尽加报复，甚至施以擅杀毁伤之举。有人向诸葛亮告发，要其弹压法正胡作非为，但诸葛亮深知，眼下法正乃是刘备最为宠信之"红人"，如予打压，有损大局，故不加过问。
公元217年，法正向刘备献计，认为曹操一举降伏张鲁，却未以汉中为中继，一鼓作气进攻益州，仅留夏侯渊、张郃驻守，定是内部发生了动乱，提议趁机攻夺汉中，并分析占据汉中三大好处：上，可讨伐国贼，尊崇汉室；中，可蚕食雍、凉二州，开拓国境；下，可固守要害，打持久战。刘备纳取，举兵进击汉中。
夏侯渊、张郃毕竟不是等闲之辈，他们与蜀军对峙年余。这让刘备急燥起来，有次出战，不利蜀军，本应撤离，但刘备恼羞成怒，拒撤，身旁诸将皆不敢谏。其时曹军所发箭矢如雨，法正大步走到刘备前面。刘备大喊："孝直避箭"。法正回道："连明公也冒着箭雨、飞石，何况我呢？"刘备只得允诺撤军。
不久，法正就向刘备出了个声东击西之计：分兵十组轮番攻击镇守广石的张郃，张郃以为蜀军主力来攻，遂向夏侯渊请求增援，夏侯渊就派一半兵力去援。刘备迅速派兵袭击夏侯渊，不把蜀兵放在眼里的夏侯渊，仅率四百军士出营，法正立马提议黄忠擂鼓突袭，将猝不及防的夏侯渊斩于阵前。
夏侯渊被斩不久，平定了吉本等人叛乱的曹操，亲征汉中。面对兵力上己占绝对优势的曹军，法正提醒刘备依险坚守，不与曹操交锋。曹操遭遇"鸡肋"之扰，烦不胜烦。探知刘备避战之举出自法正后，也就发了那句感慨。之后因经不起损耗，曹操不得己放弃汉中。基于法正功勋卓著，刘备提任法正为汉中王尚书令、护军将军。
莅年，法正因病去世，终年45岁。刘备伤心至极，接连哭泣数日