乾德二年春，皇帝诏令刘廷让率领军队奔赴潞州，以防备并州敌寇。同年冬天，宋军发兵后蜀，王全斌任西川行营前军兵马都部署，率主力从陕西南下。刘廷让担任西川行营千军兵马副都部署，率领禁军步兵骑兵一万人、各州兵一万人，从归州沿长江西上。进入对方境内，连续攻破松木、三会、巫山等营寨，擒获蜀将南光海等五千余人，俘虏战棹都指挥使袁德宏等一千二百人，夺得战舰二百余艘，又俘获水军三千人，乘势渡过南岸，斩首三千余级。
当初，夔州有浮桥封锁长江，上面设置了三道栅栏，两岸排列炮具。刘廷让等人即将出行，太祖赵匡胤拿地图给他看，指着长江封锁线说："我军到了这里，逆流而上，千万不要先以水师作战，应当先以步兵、骑兵由陆路前进，出其不意攻打，等到他们气势减弱，就用战船夹攻，夺取长江就成必然的了。"刘廷让率军到达之后，在距夔州三十里处舍舟登陆，先夺城东过江浮桥，然后乘舟而上，一举攻占江防重镇夔州，击破后蜀川东防御体系的枢纽。，守将高彦俦自焚。刘廷让军纪严明，全都按照太祖赵匡胤的计谋实施，取得了一定的胜利。后蜀万、施、开、忠四州刺史全都投降了，刘廷让率军遂迅速占领峡中的所有州县。乾德三年正月，刘廷让率军西进至遂州，后蜀遂州将领陈愈率领官吏百姓出来归降。刘廷让命人拿出官府中全部的金帛来供养将士们，这一行动也是根据宋太祖赵匡胤的命令实施的。刚发兵时，太祖赵匡胤对刘廷让说："夺得了州县，应当拿出全部官库财物，为我赏赐战士，国家所取的只是疆土。"因此，人们都舍命报效，刘廷让所到之处都取得了成功。
他处处听皇帝赵匡胤的，才取得了一定的功绩，又不贪财，不滥杀，当主帅王全斌等人受到制裁的时候，他反而没事。后蜀平定后，王全斌等人因放任部下掠夺子女财物，收受贿赂被朝廷定罪，唯独刘廷让对后蜀人民秋毫无犯。因不满王全斌等人贪财滥杀的恶迹，后蜀全师雄等人叛乱，迅速占领川西除成都以外的许多州县，各州县的贼寇纷纷起事。刘廷让和曹彬率军击败全师雄，俘获一万多人。刘廷让因功改为镇安军节度使，随从朝廷军队征伐太原。开宝六年，刘廷让被罢军职，出朝为镇宁军节度使。宋太宗赵光义即位后，一批节度使被授以环卫闲职，刘光义被罢节度使改授右骁卫上将军。
