途中，桓温遭遇李权部队，经过三场激战，李权兵马溃败，仓皇逃回成都。桓温乘胜追击，直抵成都近郊。此时，远在犍为的昝坚闻讯急驰救援。然而，当见到晋军已逼近成都城时，昝坚部众心慌意乱，未战先溃。
李势见势不妙，亲自率军出城至笮桥迎战。他拼死抵抗，竟使晋军寸步难行。关键时刻，战鼓骤响，袁乔拔剑指挥，将士们奋勇杀敌，终获大胜。随后，桓温领兵攻至成都城下，放火焚门。李势趁夜遁走，见继续抵抗无望，为求自保，遂向桓温投降。成汉至此灭亡，桓温完成了平定巴蜀的伟业。
此后，桓温为扩大势力，先后发动三次北伐，声名远扬，军中势力日盛。随着势力的增长，他的政治野心亦逐渐膨胀。某日，桓温抚枕而叹：“既不能流芳百世，何妨遗臭万年？”其雄心壮志由此可见一斑。
公元371年，桓温在枋头之战中失利，威望大跌。为了重塑权威，他率兵进驻建康，废黜晋废帝司马奕，拥立司马昱为新君，即简文帝。桓温自封大司马，移师姑孰（今安徽当涂），遥控朝政。
翌年，简文帝驾崩，遗诏传位于其子司马曜。桓温得知此消息，初时欢欣鼓舞，以为皇位触手可及。然而，当他得知简文帝并未指定他继位时，失望与愤怒交织，遂起武力夺位之心。他身披铠甲，手执兵刃，率兵再入建康。沿途迎接的官员见其士兵甲胄鲜明，杀气腾腾，无不面色惨白，胆战心惊。
桓温召王坦之和谢安入府，意图加害。王坦之因恐惧而汗流浃背，谢安则泰然自若。入堂就座后，谢安直视桓温，直言不讳：“大将之道，在于守边御敌，非藏兵于墙后。桓公此举，意欲何为？”桓温闻言，羞惭难当，支吾道：“此兵仅为防不测之用。”遂暗中下令撤去墙后伏兵。
桓温原欲武力夺位，但见士族多有反对，遂按兵不动。然不久，这位野心勃勃的权臣竟因病而亡，篡位之梦终成泡影。