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刘璋虽有所警觉，却不愿与刘备撕破脸皮，只派白水关守将杨怀、高沛监视刘备。
建安十七年（公元212年），刘备以刘璋未提供足够粮草为由，斩杀杨怀、高沛，正式起兵反蜀，益州之战爆发。
战争初期，刘备军进展顺利，涪城（今四川绵阳）守将杨怀不战而降，绵竹（今四川德阳）守将李严献城归顺。
短短数月间，成都以北的防线几乎崩溃，雒城（今四川广汉）成为守护成都的最后一道屏障。
雒城地势险要，北临沱江，南依雁江，易守难攻，但其兵力不足，粮草有限，防守压力极大。
就在这危急存亡之际，刘璋任命张任为副军师，与主帅刘璝共同镇守雒城。
张任抵达雒城后，立刻对防务进行了全面整顿。
他发现雒城的城墙虽坚固，但守城士兵士气低落，不少人已心生退意。
于是他召集将士，慷慨陈词：
“雒城若破，成都危矣！我等世居益州，当以死相拼，守护家园！”
他还以身作则，与士兵同吃同住，亲自巡查防务，很快稳定了军心。
针对刘备军的进攻特点，张任制定了“以守为攻，袭扰疲敌”的战术。
白天，他依托城墙部署弓箭手和投石机，利用地形优势击退敌军的猛攻；夜晚，则挑选精锐组成突击队，偷袭刘备军营。
有一次，他亲率三百勇士，趁夜渡过沱江，烧毁了刘备军的粮草营寨，让刘备军陷入缺粮困境，不得不暂缓攻城。
建安十九年（公元214年），刘备久攻雒城不下，心急如焚，命军师庞统亲自督战。
庞统素有“凤雏”之称，智谋过人，他看出雒城的防御重心在东门，便亲率主力从东门进攻，同时派一支偏师佯攻北门，试图分散守军兵力。
张任识破了庞统的计谋，却没有直接加强东门防御，而是做出了一个大胆的决定——在落凤坡设伏。
落凤坡位于雒城东南，是一条狭窄的山道，两侧悬崖峭壁，中间仅有一条小路通行。
张任判断庞统会亲自率军经过落凤坡，便在此埋伏了五千弓箭手和刀斧手。
当庞统的军队进入落凤坡后，张任一声令下，箭如雨下，滚石齐落。
庞统猝不及防，被乱箭射中，当场身亡。
《三国志·庞统传》记载：“先主痛惜，言则流涕”，足见这一战对刘备军的打击之大。
落凤坡的胜利让益州军士气大振，但张任深知这只是暂时的胜利。
刘备在失去庞统后，急调诸葛亮、张飞、赵云等援军入蜀，雒城的压力陡增。
不久，张飞率军攻克江州（今重庆），赵云平定江阳（今四川泸州），诸葛亮则沿水路西进，对雒城形成合围之势。
面对越来越严峻的局势，张任并未退缩。
他一方面派人向成都求援，另一方面加强城内防御，甚至组织百姓参与守城。
他还发明了一种“连环弩”，能一次发射十支箭，极大地增强了守城火力。
在一次战斗中，张飞亲自擂鼓助威，率军猛攻西门，张任亲自登上城楼指挥作战，身中数箭仍不肯退下，其忠勇之态令士兵们深受感动，纷纷拼死抵抗。
然而，寡不敌众的局面终究难以逆转。
随着时间的推移，雒城的粮草逐渐告罄，士兵们疲惫不堪，不少人开始动摇。
主帅刘璝主张投降，与张任发生激烈争执。
张任怒斥刘璝：“我等受主公厚恩，当以死报国，岂能屈膝投降！”
他下令将主张投降的将领斩首示众，暂时稳住了军心，但雒城的陷落已只是时间问题。
建安十九年（公元214年）夏，刘备军对雒城发起总攻。
诸葛亮设计用云梯从北门强攻，吸引守军注意力，同时派张飞率精锐从东门的薄弱处突破。
张任虽奋力抵抗，但兵力不足，防线最终被撕开一道缺口。
刘备军蜂拥而入，雒城失守。
张任率残部与敌军展开巷战，他手持长枪，奋勇杀敌，身边的士兵一个个倒下，他自己也多处受伤，浑身是血。
但他仍不肯投降，继续与敌军拼杀，直到力竭被擒。
当士兵将他押到刘备面前时，这位满身伤痕的将领依然昂首挺立，眼中毫无惧色。
刘备素来爱惜人才，见张任勇武忠诚，便想招降他。
他亲自为张任松绑，好言劝道：“卿乃当世名将，奈何追随刘璋这样的庸主？若肯归降，我必委以重任。”
张任却冷冷地说：“忠臣不事二君，烈女不更二夫。我生为益州人，死为益州鬼，岂能降贼！”
刘备并不甘心，又许以高官厚禄：“若肯降，当表卿为广汉太守，总领蜀地军政。”
张任厉声回绝：“