姜维见地利已失，强攻不克，乃于当夜渡渭水东进，沿山路进取上邽。两军战于段谷（今甘肃天水西南）。胡济失期未至。邓艾大败蜀军，蜀军士卒溃散，死伤甚众。姜维败归，自请贬为后将军。此战，邓艾战前料敌准确，战中因机制变，始终掌握着战役主动权，为后世防御作战留下了宝贵经验。同年，曹髦下诏褒奖邓艾，命邓艾为镇西将军、都督陇右诸军事，进封邓侯。分五百户封子邓忠为亭侯。甘露二年（257年）五月，魏将诸葛诞联合东吴在淮南起兵反司马昭。司马昭调关中兵力东下讨伐诸葛诞。蜀大将姜维乘机攻魏秦川（渭水流域）。十二月，姜维率兵数万出骆谷（今陕西周至西南），到达沈岭（今陕西周至南）。当时，魏在长城（今陕西周至南）积存大量军粮，且防守薄弱。邓艾（时为安西将军）和征西将军司马望恐姜维袭夺长城，立即合军据守。姜维军进至芒水，依山为营。邓艾、司马望率军近水筑寨。蜀军多次挑战，邓艾、司马望坚守不出，两军长期对峙。次年三、四月间，姜维闻诸葛诞败亡，只得引军而还。邓艾因功升任征西将军，前后共增食邑六千六百户。景元三年（262年）十月，蜀汉大将军姜维起兵再度攻魏，攻入洮阳境。邓艾率兵迎战。邓艾分析，姜维悬师远征，战线长，给养困难，难以持久。于是，抢占有利地势，在洮阳以东的侯和（今卓尼东北）设阵，以逸待劳，阻击蜀军，双方激战后，魏军发起反击，蜀军败逃，姜维退往沓中（今甘肃舟曲西北）。同年，总揽朝政的大将军司马昭制定先灭蜀再顺江灭吴的战略，任命司隶校尉钟会为镇西将军前往关中整军备战。景元四年（263年）八月，魏军兵分三路伐蜀：征西将军邓艾率兵三万余人，由狄道（今甘肃临洮）进军，以牵制蜀大将军姜维驻守沓中（今甘肃舟曲西北）的主力；雍州刺史诸葛绪率三万余人，进攻武都（今甘肃成县西北），以切断姜维退路；钟会率主力十余万人，欲乘虚取汉中，然后直趋成都。以廷尉卫权为镇西军司马，持节监邓艾、钟会军事。由大将军司马昭统一调度指挥。蜀军派右车骑将军廖化率军往沓中增援姜维；左车骑将军张翼等前往阳安关口拒守。令汉中诸将放弃汉中外围据点，收缩兵力退保汉城（今陕西勉县东）、乐城。由于蜀军未对咽喉险道斜谷、骆谷、子午谷严加防守，被魏魏兴太守刘钦占领。钟会遂几路并进，直入汉中，留二万人围汉、乐二城，自率主力直下阳安关口，斩蜀将傅佥，收降蒋舒，继克关城（今陕西阳平关），长驱南下。邓艾命天水太守王颀直攻姜维营地，命令陇西太守牵弘等人邀击姜维的前部，而命令金城太守杨欣进击甘松。姜维闻钟会等部已入汉中，知汉中难保，急摆脱邓艾，退往阴平。杨欣等人追击，直到疆川口，双方大战，姜维败退，为抢先占桥头（阴平东南）的诸葛绪所阻。姜维从孔函谷佯作向北欲绕道而东，作出出兵攻击诸葛绪后部的样子，诱使诸葛绪离开桥头三十里向北堵击时，姜维乘机迅速通过桥头，与廖化、张翼等合兵，据守剑阁。诸葛绪赶去阻截，差了一天，没有赶上。邓艾进至阴平，欲与诸葛绪合兵南下。诸葛绪不从，领军东向靠拢钟会。钟会欲专军权，诬告诸葛绪畏敌不前，将其押回治罪，随即统领大军南下，被姜维阻于剑阁。剑阁素有“一夫当关，万夫莫开”之称，姜维凭险据守，钟会攻剑阁不下，无计可施。时魏军因军粮不继，钟会准备退兵。邓艾上书说：“如今贼寇大受挫折，应乘胜追击。从阴平沿小路、经汉德阳亭，奔赴涪县，距剑阁西有百余里，距成都三百余里，派精悍的部队直接攻击敌人的心脏。姜维虽死守剑阁，但在这种情形下，他一定得引兵救援涪县。此时，钟会正好乘虚而入。如果姜维死守剑阁而不救涪县，那么，涪县兵力极少。兵法说道：‘攻其不备，出其不意。’今进攻其空虚之地，一定能打败敌人。”
十月，邓艾趁姜维被钟会牵制在剑阁，率军自阴平沿景谷道东向南转进，南出剑阁两百多里，钟会也派部将田章等跟进。邓艾率军攀登小道，凿山开路，修栈架桥，鱼贯而进，越过七百余里无人烟的险域。山高谷深，至为艰险。途中，粮运不继，曾多次陷入困境。部队走到马阁山，道路断绝，一时进退不得，邓艾身先士卒，用毛毡裹身滚下山坡。邓艾率军出其不意地直抵江油，迫降守将马邈。蜀汉卫将军诸葛瞻（诸葛亮子）从涪城回到绵竹，列阵等待邓艾。邓艾派其子邓忠攻打诸葛瞻的右翼，司马师纂攻其左翼。邓忠、师纂失利，退回，对邓艾说：“贼兵坚守牢固，很难击破。”
邓艾大怒，说：“生死存亡之际，全在此一举，还说什么可与不可！”
大声叱责二将，并要将其斩首。二将策马奔回，挥军再战，邓艾也亲临督战，终大破蜀军，遂克绵竹，斩蜀将诸葛瞻及尚书张遵等人。绵竹陷落后，蜀军全线崩溃。邓艾乘胜进击，一鼓作气攻陷雒县（今四川广汉北），逼近成都。蜀汉后主刘禅惊恐失据，感到大势已去，在主降派劝导下，派人送上皇帝的印绶，并写信到邓艾那里请降。邓艾率军入成都，蜀汉灭亡。刘禅又派人去前线命令姜维等投降，姜维等得到命令，便到钟会军中投降。此战，邓艾趁两军主力相持之际，率偏师出奇兵，进行大纵深迂回穿插，绕过蜀军的正面防御，直捣蜀都成都，创造了中国战争史上著名的奇袭战例。