建安十九年(214年)春，投靠张鲁后的马超，很受张鲁的欣赏，封马超为当时五斗米道中地位仅次于他的都讲祭酒，还打算把女儿张琪瑛嫁给马超，但是在部下的劝谏下，反悔了。 马超向张鲁借兵，打算反攻凉州。马超领兵围攻祁山三十天，未能攻下，随后夏侯渊派张郃引援兵赶到，马超没有继续攻打，丢下军事器械做引诱，撤军回了汉中。 张鲁的部下杨白等因为害怕马超的才能，想要加害于他，于是马超辞兵逃入氐中。恰逢刘备此时率兵入川，刘备派李恢结好马超，马超知道张鲁不是干大事业的人，于是写信给刘备，请求归附。
辅刘七载
建安二十年(215年)，
正旦(正月初一)时候，马超妾董氏的弟弟董种来向马超恭贺新年，马超捶胸吐血而说：“家门百口余人，全部被杀害，如今我们两个还有什么好相庆祝的?” 夏，刘备听说马超要来投，高兴的说道：“我得到益州了!”于是派人去迎接马超，且偷偷把自己的一支军队给马超，让马超率兵合围成都。马超率领兵马径直到成都，屯兵于城北，城中所有人都因为马超威名而惊恐，不到十天的时间，成都军民就崩溃了，刘璋随即开城投降。刘备平定西川后，任命马超为平西将军，并命他总督临沮军事，爵位还是之前的都亭侯。
建安二十二年(217年)，十月，刘备与曹操争霸于汉中之地，马超与张飞、吴兰、雷同等将领屯兵于下辩，氐族雷定七部万余人响应马超。
建安二十三年(218年)，正月，张飞与马超、吴兰、雷铜等率军驻扎沮水，准备攻打武都、阴平两郡。吴兰、雷铜分别被曹洪、曹休击败，吴兰部将任夔战死，阴平氐王强端逆斩吴兰，把首级献给曹军。三月，曹操亲率大军来争夺汉中，刘备据守，马超与张飞引兵退回汉中。
建安二十四年(219年)，刘备夺下汉中。秋，以马超为首的一百二十余名蜀汉官员联名上疏《立汉中王上表汉帝》 ，劝刘备进位汉中王。刘备称王后，拜马超为左将军，假节。
建安二十五年(220年)，彭羕听说刘备调自己远出任职，私下心里很不高兴，于是便去会见马超。马超向彭羕说：“您的才干超群拔萃，主公对您很器重，说您可与诸葛亮、法正等人并驾齐驱，怎么会让您外任小郡，使人失望呢?”彭羕说：“这个老兵痞子，荒唐无理，还有什么可说!”又对马超说：“您是外放官，我是内应，天下不会平定不了。”马超半生为枭雄，归顺刘备，寄人篱下后常心怀危惧之感，听到彭羕说出这种话大吃一惊，默不作声。彭羕走后，马超便将彭羕的话如实上报，于是彭羕被逮捕囚禁，之后刘备听取诸葛亮意见处死彭羕。
公元221年，刘备称帝，国号继承为“汉”，史称“蜀汉”或“季汉”。
改定元年为“章武”，封拜马超为骠骑将军，领凉州牧，进封斄乡侯。
并下册封诏书：“朕没有什么大德，却得以继承皇帝之位，继嗣刘家的江山，曹操曹丕父子，世代都会记住他的罪行。朕感到非常地忧伤，非常地痛心疾首。四海之内都怨愤曹氏家族，渴望回归大汉江山的正道上，鉴于氐族羌族对你的相率而服从，匈奴倾慕你的大义。以你在北方的信义及拥有的极高的威望和勇武，特此委任授予于你，希望你振奋飞扬如咆哮的猛虎般，统领万里疆域，解救百姓的苦难。大力宣扬朝廷的优良风化，攘外安内，严肃谨慎的对待奖赏惩罚，使大汉的福泽更加强盛，这样才能对得起天下的百姓。”
蜀汉章武二年(222年)，马超患了重病，上疏给刘备：“臣宗族门下二百口人，被曹操诛杀殆尽，只剩下从弟马岱，当以我卑微的宗族让他继承，深深地托付给陛下您，其他的也没什么话了。” 同年十二月(223年1月) 马超病逝，年仅47岁。
建兴五年(227年)，诸葛亮北伐行军至沔阳，亲自诣坟所设祭祀，让马岱挂孝衣帛。
景耀三年(260年)，九月，马超与关羽、张飞、庞统、黄忠被追封谥号，马超谥号为“威侯”。
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