随后百顷氐王杨千万与兴国氐王阿贵也起兵响应马超，率军屯于兴国，夏侯渊于是撤军回长安，两年时间不敢西进。马超以冀城为根据地，割据陇上，自称征西将军，领并州牧，督凉州军事。建安十八年（213年），马超割据陇上诸郡县长达一年多，韦康旧部下杨阜、姜叙、姜隐、赵昂、尹奉、姚琼、孔信、武都人李俊、王灵结谋反叛，并派遣从弟杨谟到冀城告诉杨阜另一个从弟杨岳，联合安定梁宽、南安赵衢、庞恭等蓄谋起兵。
九月，杨阜和姜叙率先在卤城起兵，赵衢、尹奉劝马超去攻打，马超听到后，率兵前去攻打，梁宽、赵衢偷偷占据冀城，关闭城门，并杀害马超妻子和孩子。马超大怒，但又攻不进冀城，于是袭击历城，杀死杨阜、姜叙在历城的族人（包括怒骂马超的姜叙母亲） 杨阜于是率领叛军和马超对战，战场上杨阜与宗祖昆弟七人来围攻马超，都被马超杀死，杨阜自己也身负五处重伤犹然死战。
夏侯渊援军赶到后，马超失去了根据地，进退狼狈，只得投奔汉中依附张鲁。 这场战后，杨阜等多达十一人因讨马超的功劳被封侯。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。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，迁升马超为平西将军，并命他总督临沮军事，因为刘备无法追封马超更高爵位，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，刘备派马超与刚刚在巴西大胜张郃的张飞、吴兰、雷同等将领屯兵于下辩，以虚张声势，实际却给予马超等人很少的兵力。
而马超却策动氐族雷定七部万余人响应刘备，牵制曹军先锋主力。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，假装攻打武都、阴平两郡。吴兰、雷铜被曹洪、曹休等人识破击败，吴兰部将任夔战死。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。阴平氐王强端逆斩吴兰，把首级献给曹军。
建安二十四年（219年），刘备在众将的奋勇下夺取汉中全境。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，迁升马超为左将军，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。
