富庶的古蜀国是秦国统一天下过程中首先攻取的对象，秦惠文王为此做了多年的准备，通过“石牛记”、“美女计”等一系列计策，麻痹了第十二世开明王，并开辟了由秦入蜀的“石牛道”（即“金牛道”）。周慎靓王五年（公元前316年），秦惠文王借巴、蜀互攻之机，派司马错率军沿石牛道入蜀，数月之间便攻占蜀地。此后，秦王三立三废蜀侯，终置蜀郡，郡治即设于原蜀都成都。周赧王四年（公元前311年），秦国蜀郡郡守张仪按首都咸阳建制修筑成都城墙；成都据此也成为中国有确切史料记载的最长时间城址不变的城市。周赧王五十九年（公元前256年），秦昭王任命李冰为蜀郡郡守，任内他主持修建了举世闻名的都江堰水利工程。成都平原从此沃野千里，“水旱从人，不知饥馑，时无荒年，谓之天府”。经过数十年经营，成都在秦末便取代关中平原获“天府之国”之称，而这一美誉一直延续至今。

汉代的成都，经济已相当繁荣，织锦业尤其发达，成为朝廷重要的贡赋来源。于是朝廷在成都专门设置锦官管理，并在成都城西南修筑“锦官城”（亦可简称“锦城”）；“锦官城”、“锦城”由此成为成都的别称。前汉时成都人口达到7万6千户（约40万人），与长安、洛阳、邯郸、临洮、宛一并成为汉朝六大都市。汉武帝即位之元年（公元前141年），蜀郡太守文党在成都建立了中国最早的地方官办学堂“文翁石室”。汉代成都的文学艺术也达到很高的水平，成都人司马相如、扬雄、王褒皆为汉代最有名的文学大家。

前汉时期，全国共分为十三刺史部，其中在雒县（今四川省广汉市）置益州刺史部，分管巴、蜀、广汉、犍为四部，范围大致为今四川省、重庆市、云南省、贵州省大部、陕西省南部以及湖北省、甘肃省一隅，刺史部后迁驻成都。前汉末年，公孙述在成都自立为帝，国号“成家”，改益州为司隶校尉，以蜀郡为成都尹。后汉建武十二年（公元36年），汉光武帝刘秀命大司马吴汉举兵来伐，成家灭亡，在成都恢复设置益州刺史部。后汉末年，因四方多事，朝廷接受刘焉的建议，改各州刺史为州牧，刘焉则为首任益州牧，设治所于绵竹，后汉初平五年（公元194年）迁驻成都。