因此对孟达怀恨在心。
孟达因畏惧刘备将其治罪，再加上孟达跟刘封夙来不和，刘封又撤销孟达所享用的鼓乐等待遇，于是上表向刘备告辞，并于建安二十五年率部曲四千余家投降曹魏。
孟达投降曹魏后，魏主曹丕欣赏孟达的外表和才能，于是任命其为散骑常侍、建武将军，封平阳亭侯，同时曹丕还将房陵、上庸、西城三郡合为新城，任命孟达假节兼领新城郡太守，委以西南方面重任。
不久孟达奉命与征南将军夏侯尚、右将军徐晃一同进攻刘封，孟达致信刘封劝其投降，但被刘封拒绝，
之后申仪背叛刘封致使其兵败，刘封逃回成都后因欺凌孟达和不救关羽二事被刘备责骂，
同时诸葛亮认为刘封太过刚猛，怕新君登基之后难以驾驭，于是劝说刘备将刘封赐死，刘封临死之前后悔自己不听孟达的劝告。
魏黄初七年（公元226），魏文帝曹丕去世，与孟达相好的夏侯尚、徐晃等重臣也相继而亡，此时孟达想到自己久在前线，手握重兵，而朝中无人帮衬，心中很不安宁，于是他想要联合吴蜀以图谋中原。
蜀汉丞相诸葛亮厌恶孟达反复无常，但又担心其成为蜀汉政权的隐患，他得知孟达与魏兴太守申仪有矛盾，
于是诸葛亮暗中派人送信招诱，遂施“借刀杀人”之计，让部下郭模诈降魏国，故意将孟达里通蜀国之事密报申仪，孟达得知其谋已泄遂决意起兵。
曹叡一面写信稳住孟达，一面命骠骑将军司马懿火速进讨。
魏太和二年（公元228年）初，正当孟达因得明帝来信犹豫不决时，司马懿日夜兼程历时八日从宛县率部进至上庸。
吴蜀两国各自派遣军队向西城安桥、木阑塞救援孟达，司马懿分别派遣诸将抵抗。
上庸郡三面临水，孟达又在城外设置木栅御敌。司马懿渡水之后攻破栅栏，直逼城下分八路仰攻，激战十六日后司马懿引诱孟达的外甥邓贤、部将李辅开门出降。
孟达于城陷后被杀，首级被送往京师洛阳，被焚于十字街头，其尸体被其部下葬于旬阳县城以北的山坡上。
孟达有子孟兴，曾担任议督军，魏咸熙元年被迁徙回右扶风。
建安二十四年，孟达率部攻占上庸，接连取得战功，却在关键时刻选择投降曹魏。
数年后，与诸葛亮暗通消息，再次背叛，最终被司马懿击杀
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