公元957年，后周世宗把俘虏的蜀军送还，孟昶也把俘虏的周将胡立送到京城并写信给后周世宗，后周世宗认为孟昶没有臣子的礼节，很恼怒，所以没有回信。

公元958年，后周攻打南唐，攻取淮南十四州，各国都害怕。荆南高保融以书招呼孟昶归周，孟昶因为以前曾经写信给后周世宗没有得到答复而停止归周的事。孟昶幼子孟玄宝，七岁夭折，太常说没有封王封官死了之后不好祭典，孟昶问李昊怎么办，李昊说：“以前唐德宗的儿子李评，四岁夭折，追赠扬州大都督，封肃王，这是以往的事例。”孟昶于是追赠孟玄宝为青州大都督，追封遂王。

北宋兴起，已经攻占荆、潭，更昶更加害怕，派大程官孙遇用蜡丸书从小道到北汉，相约共同出兵阻挠北宋的统一活动，孙遇被北宋边吏捉住。

宋太祖赵匡胤因此下诏伐后蜀，派王全斌、崔彦进等出凤州，刘光乂、曹彬等出归州；诏八作司度右掖门南、临汴水为孟昶建造房屋五百余间，供帐杂物齐备，以等待孟昶投降后用。

孟昶派王昭远、赵彦韬等抵抗。军队刚从成都出发，孟昶派李昊等人设宴送行，王昭远手拿铁如意指挥军事，自比诸葛亮，酒意正浓，对李昊说：“我这次进军，哪里只是抗拒敌军？我领这二三万雕面恶少儿，夺取中原易如反掌啊！”孟昶又派儿子孟玄喆率精兵数万守剑门。孟玄喆用车携带爱姬，带着乐器和几十个演戏的人随军出发，蜀人看见了都偷偷讥笑。王全斌至三泉遇到王昭远，将他击败。

王昭远焚吉柏江浮桥，退守剑门。军头向韬听蜀军俘虏说：“来苏小路，从剑门南边清强店与大路会合。”王全斌派偏将史延德分兵走来苏小路，北击剑门，与王全斌夹攻，王昭远、赵彦韬败走，都被俘虏。孟玄喆听到王昭远等战败的消息，也逃回成都。

刘光乂攻夔州，守将高彦俦战败，闭牙城拒守，判官罗济劝他撤走，高彦俦说：“我以前不能守住秦川，今又撤退，虽然君主不杀我，我有何面目见蜀人呢！”

又劝他投降，高彦俦不许，于是自焚而死。蜀兵奔溃，将帅多数被俘虏。孟昶问计于左右，老将石頵认为宋军远来，势不能久，应当聚兵坚守等待东兵疲惫。

孟昶叹气说：“我和先帝用温衣美食养士四十年，一旦临敌，不能为我向东放一箭，虽然想坚守，谁能为我去守呢？”就命李昊写表向北宋投降，后蜀灭亡，当时是公元965年正月。

从宋军伐蜀至孟昶投降共计六十六日。当初，李昊为前蜀皇帝王衍的翰林学士，王衍败亡时，李昊为他写降表，现在又为孟昶写降表，蜀人夜间在他门上写“世修降表李家”，当时传为笑话。

孟昶投降北宋后，从成都押送到北宋京师汴梁的途中，成都有数万老百姓冒着生命危险为他送行，人们哭送着，男女老少沿江护送，其中哭得恸绝者数百人，孟昶也用手捂着脸面痛，老百姓一直从成都送到键为县，达数百公里，其场面十分感人。

到达汴京后，授任检校太师兼中书令，封秦国公。孟昶被封秦国公的第七天去世，时年四十七岁，追封为楚王。

孟昶死后，成为赵匡胤妃子的花蕊夫人因为思念孟昶，偷画下孟昶的画像，思念之时便拿出来欣赏。

有一次被赵匡胤撞见，花蕊夫人便谎称这是后蜀时期的送子神仙画像，孟昶的画像就被流传于百姓家中成了送子神。