受命与慕容延钊平定叛乱。干德二年（964年），宋太祖任命他为西川行营前军部部署，率禁军步骑2万、诸州兵1万，由凤州路讨伐后蜀。一路大捷，连克干渠渡、万仞燕子二寨，攻下兴州，击败蜀军七千人；此时大雪纷飞，赵匡胤亲自脱下身上的紫貂裘帽，派人送给王全斌。蜀后主孟昶派太子孟玄喆为元帅，统兵增援剑门。全斌派史延德自来苏渡江，与大军夹击剑门，剑门之战大败蜀兵。干德三年（965年）正月初七，后蜀投降，前后仅66天。王全斌久慕花蕊夫人姿色，直接索要花蕊夫人，否则便要屠城。此时都监曹彬赶到，按宋太祖命令，把孟昶和花蕊夫人护送