刘巴逃到越南还不够，怕刘备通过渠道找到他，改姓为张。《零陵先贤传》记载：巴入交趾，更姓为张。与交趾太守士谿计议不合，乃由牂牁道去。为益州郡所拘留，太守欲杀之。主簿曰：“此非常人，不可杀也。”主簿亲自送至州，见益州牧刘璋，璋父焉昔为巴父祥所举孝廉，见巴惊喜，每大事辄以咨访。刘璋本来是亲曹派，派张松去对曹操表明态度。不料因为张松其貌不扬，曹操对他冷冷淡淡，憋了一肚子气回来的张松便劝刘璋和刘备合起来对付曹操。刘璋没什么主见，也就同意了。
入幕刘璋的刘巴给了刘璋一个很有战略眼光的建议：不要接纳刘备。“巴谏曰：‘备，雄人也，入必为害，不可内也。’既入，巴复谏曰：‘若使备讨张鲁，是放虎于山林也。’璋不听。巴闭门称疾。”（见《零陵先贤传》）
在政治上极为幼稚的刘璋没听刘巴的逆耳忠言，张松暗通刘备的事情败露后，刘璋才明白刘巴当初的意见是正确的。但此时大势已去，益州果然很快被刘备收入囊中。刘备围攻益州时，曾号令三军：“谁敢加害刘巴，就灭他三族。”后来，士兵们拿住了无法逃身的刘巴，刘备大喜。
刘备再次盛情相邀，诸葛亮也写信对刘巴苦言相劝，走投无路的刘巴只好谢罪归附，被刘备任命为左将军西曹掾（刘备此时的主要官职是左将军，西曹掾主管府内官吏的任用）。诸葛亮对此也十分高兴，因为自从刘巴上任以后，诸葛亮的工作负担减轻了很多。刘备称汉中王后，以刘巴为尚书；法正去世后，又将刘巴晋升为尚书令，负责处理日常政务。
由于刘巴总是不搭理张飞，张飞为此很愤懑，两人关系一直很紧张，诸葛亮曾劝刘巴对这位皇弟客气些，但刘巴不买账。很重桃园结义之情的刘备对刘巴的这一点很反感，他对诸葛亮说：“刘巴这个人才智超人，如果无人替代，那么就用他，如果有人替代，那么就不必用他了。”
诸葛亮回答：“运筹策于帷幄之中，吾不如子初远矣。”（见《三国志·蜀书·刘巴传》裴松之注）刘备闻毕才打消了放弃刘巴的念头。
关于刘巴冷落张飞这件事，东吴智囊之首张昭也站在刘备一边，认为刘巴这个人太过分。但吴主孙权却另有一番自己的看法，他说：“如果让刘巴随波逐流，取悦于刘备，他又怎能称得上是高士呢？”
刘巴为人节俭，不愿与人交往，只重公事。刘备登基时，所有文诰策命都出自刘巴之笔。刘继兴考证，其时有诸葛亮、法正、刘巴、李严、伊籍“共造蜀科”之说：蜀科之制，由此五人所制。可见刘巴的能耐确实很大。
刘巴最牛的贡献是在归附刘备后不久。史载，在刘备攻取益州之后，国库空空，刘备十分忧心。刘巴说：“小事一桩，三个动作搞定：一、铸值百钱的铜板通行；二、统一全国物价；三、实行公卖制度。”（巴曰：“易耳，但当铸直百钱，平诸物贾，令吏为官巿。”）刘备从之，数月之间，府库充实。
刘备称帝的第二年，即蜀章武二年（公元222年），刘巴病逝，时年只有三十九岁，可谓天妒英才，壮岁早逝。
