八月，夏侯淵援軍依舊未到，韋康開城投降，馬超占據冀城，使張魯部將楊昂處死涼州刺史韋康。夏侯淵領兵前來攻打，行軍到距離冀城二百余里的時候，馬超率領軍隊來戰斗，擊敗了夏侯淵援軍。隨后百頃氐王楊千萬與興國氐王阿貴也起兵響應馬超，率軍屯于興國，夏侯淵于是撤軍回長安，兩年時間不敢西進。馬超以冀城為根據地，割據隴上，自稱征西將軍，領并州牧，督涼州軍事。
建安十八年（213年），韋康舊部下楊阜、姜敘、姜隱、趙昂、尹奉、姚瓊、孔信、武都人李俊、王靈結謀反叛，并派遣從弟楊謨到冀城告訴楊阜另一個從弟楊岳，聯合安定梁寬、南安趙衢、龐恭等蓄謀起兵。
九月，楊阜和姜敘率先在鹵城起兵，趙衢、尹奉勸馬超去攻打，馬超聽到后，率兵前去攻打，梁寬、趙衢偷偷占據冀城，關閉城門，并殺害馬超妻子和孩子。馬超大怒，但又攻不進冀城，于是襲擊歷城，殺死楊阜、姜敘在歷城的族人（包括怒罵馬超的姜敘母親）楊阜于是率領叛軍和馬超對戰，戰場上楊阜與宗祖昆弟七人來圍攻馬超，都被馬超殺死，楊阜自己也身負五處重傷猶然死戰。夏侯淵援軍趕到后，馬超失去了根據地，進退狼狽，只得投奔漢中依附張魯。這場戰后，楊阜等多達十一人因討馬超的功勞被封侯。
建安十九年（214年）春，投靠張魯后的馬超，很受張魯的欣賞，封馬超為都講祭酒，還打算把女兒嫁給馬超，但是在部下的勸諫下，反悔了。馬超向張魯借兵，打算反攻涼州。馬超領兵圍攻祁山三十天，未能攻下，隨后夏侯淵派張郃引援兵趕到，馬超沒有繼續攻打，丟下軍事器械做引誘，撤軍回了漢中。[44][45]張魯的部下楊白等因為害怕馬超的才能，想要加害于他，于是馬超辭兵逃入氐中。恰逢劉備此時率兵入川，劉備派李恢結好馬超，馬超知道張魯不是干大事業的人，于是寫信給劉備，請求歸附。
輔劉七載
建安二十年（215年），正旦（正月初一）時候，馬超妾董氏的弟弟董種來向馬超恭賀新年，馬超捶胸吐血而說：“家門百口余人，全部被殺害，如今我們兩個還有什么好相慶祝的？”[47]到了夏季，劉備聽說馬超要來投，高興的說道：“益州可以拿下了！”于是派人去迎接馬超，且偷偷把自己的一支軍隊給馬超，讓馬超率兵合圍成都。馬超率領兵馬徑直到成都，屯兵于城北，城中所有人都因為馬超威名而驚恐，不到十天的時間，成都軍民就崩潰了，劉璋隨即開城投降。劉備平定西川后，遷升馬超為平西將軍，并命他督臨沮。
建安二十二年（217年），十月，劉備與曹操爭霸于漢中之地，劉備派馬超與剛剛在巴西大勝張郃的張飛、吳蘭、雷銅等將領屯兵于下辯。而馬超卻策動氐族雷定七部萬余人響應劉備，牽制曹軍先鋒主力。
建安二十三年（218年），正月，張飛與馬超、吳蘭、雷銅等率軍駐扎沮水，假裝攻打武都、陰平兩郡。吳蘭、雷銅被曹洪、曹休等人識破擊敗，吳蘭部將任夔戰死。三月，曹操親率大軍來爭奪漢中，劉備據守，馬超與張飛引兵退回漢中。陰平氐王強端逆斬吳蘭，把首級獻給曹軍。
建安二十四年（219年），劉備在眾將的奮勇下奪取漢中全境。秋，以馬超為首的一百二十余名蜀漢官員聯名上疏《立漢中王上表漢帝》，勸劉備進位漢中王。劉備稱王后，遷升馬超為左將軍，假節。
建安二十五年（220年），彭羕聽說劉備調自己遠出任職，私下心里很不高興，于是便去會見馬超。馬超向彭羕說：“您的才干超群拔萃，主公對您很器重，說您可與諸葛亮、法正等人并駕齊驅，怎么會讓您外任小郡，使人失望呢？”彭羕說：“這個老**子，荒唐無理，還有什么可說！”又對馬超說：“您是外放官，我是內應，天下不會平定不了。”馬超半生為梟雄，歸順劉備，寄人籬下后常心懷危懼之感，聽到彭羕說出這種話大吃一驚，默不作聲。彭羕走后，馬超便將彭羕的話如實上報，于是彭羕被逮捕囚禁，之后劉備聽取諸葛亮意見處死彭羕。
章武元年（221年）劉備稱帝，建立蜀漢，封馬超為驃騎將軍，領涼州牧，進封斄鄉侯。
主要成就
軍事
建安十九年（214年），劉備與劉璋經過三年的斗爭，收降西川不少將領，占領西川不少領土，與張飛、諸葛亮、趙云等逐步完成對成都的包圍。同時馬超的加入，不僅使得劉備軍事力量得到進一步壯大，更對當時的劉璋造成了不小的恐慌，從而加速了劉璋軍的投降。[58][57]而后劉備與夏侯淵爭奪漢中，雖然劉備占據西川后實力大增，但在攻打漢中的時候仍然出現了兵力不足的情況，甚至已經到了男子戰女子運的地步。馬超與張飛屯兵下辯，而馬超在西涼一帶素有威望，策動氐族雷定七部萬余人響應劉備，為爭取漢中的劉備軍貢獻了一定的軍事力量。
政治
劉備攻下漢中以后，群臣一百二十余人聯名上書漢獻帝表劉備進位為漢中王，聯名書是以馬超為首。