蜀地平定之后，孟达转而投效刘备，刘备封其为宜都太守。
背刘备投曹操
建安二十四年（219年），孟达奉令从秭归北攻房陵，杀死房陵太守蒯祺。之后又继续进攻上庸，刘备担心孟达难以独自取胜，于是命刘封自汉中乘沔南下去统领孟达的军队，刘封率军与孟达在上庸合兵之后，逼降了上庸太守申耽。
孟达
同年末，关羽围困襄樊，并多次要求刘封和孟达派兵相助，但刘封和孟达却以上庸三郡占领不久，不敢轻易离开为由拒绝。
关羽兵败被杀后，孟达一方面担心因为没派援军而被治罪，另一方面孟达和刘封也多有不和，常受到刘封侵凌，于是便率领所部四千余人投降了曹魏。
背曹魏投蜀汉
孟达投降曹魏之后，在曹丕手中倒是颇受重用，任散骑常侍、建武将军，还被封为平阳亭侯，曹丕还将房陵、上庸、西城三郡合为新城，任命孟达为新城太守。同时，孟达又与桓阶和夏侯尚交好，还曾与夏侯尚和徐晃一起攻打刘封。
曹丕
黄初七年（226年）五月，曹丕病逝，此时桓阶、夏侯尚也都已经去世，孟达便在魏国失去了根基，而曹叡因为孟达之前的“不良记录”，对其并不信任，这令孟达心中不安，总是担心自己被清洗。
诸葛亮在得知孟达的处境后，便写信给他意图使其重新归属蜀汉，而孟达却陷入了犹豫之中，既没有同意，但也没有明确拒绝。后来，与孟达素来不和的魏兴太守申仪得知了孟达与诸葛亮通信的事情，于是上书报告孟达通敌。
司马懿
司马懿得知此事后，一边写信安抚孟达，暗中则调遣军队防止有变。孟达得知司马率军前来后，这才下定决心反叛曹魏，不过他判断司马懿至少要三十日才能到达，结果没想到司马懿只用了八天时间，狂奔一千二百里便赶到，完全打乱了孟达的部署。
后来，司马懿兵围上庸十六天，孟达外甥邓贤、部将李辅开城投降，城破之后孟达被杀，传首京师。
