被立即任命为新的四川总兵官。
在此次战役中，军队被分为八路，其中四川占据了四路。川东地区又分为两条进攻路线，其中以綦江道最为重要，刘綎被命令把守该地。杨应龙深知刘綎的才能，对此感到十分担忧，因此加强了对要害地区的防守。
正月，各路将领攻克了丁山、铜鼓、严村等要地，随后进军直捣楠木、山羊、简台三个山洞。这三个山洞地理位置极为险要，敌将穆照等人率领数万人在此驻扎，构筑了坚固的防线。面对这样险要的地形和强大的敌人，各将领感到相当担忧。刘綎则调遣兵力从三面围攻敌人，在李汉坝发起了一场激烈的战斗，成功活捉了敌军头目，其余敌人纷纷逃入山洞。刘綎乘胜追击，接连攻克了三个关隘，直达洞口，并放火烧毁了山洞，使敌人大受损失。最终，三个山洞全部被攻克，穆照和匪徒头目吴尚华被活捉。
在战斗中，刘綎亲自督战，左手拿着赏钱，右手握着宝剑，大声激励士兵：“卖命的有赏，不卖命的斩首！”尽管战斗中牺牲了四十人，但最终获得了全面的胜利。
杨应龙随后派遣他的儿子杨朝栋、杨惟栋以及党羽杨珠统帅精锐部队几万人，从松坎、鱼渡、罗古池三路进攻。刘綎在罗古埋伏了一万人，以迎击从松坎方向而来的敌人；在军营外也埋伏了一万人，以迎击从鱼渡方向而来的敌人；另外还准备了一支军队作为策应。敌人果然到来，刘綎的伏兵四起，率部转战出击，斩首数百人，并追击敌人五十里。匪徒聚集在石虎关进行防守，刘綎也挖掘战壕进行守备。
起初，刘綎听到任命他征伐播州的消息时，曾一度犹豫不决，寻找各种借口向朝廷施压。言官们一致弹劾他，商议调他任南京右府佥书。刘綎听到这个消息后，立即辞职。总督李化龙认为平定播州非刘綎不可，坚决挽留他，并极力向朝廷推荐，刘綎这才接受了任命。他率领部队翻越夜郎旧城，攻克了匪徒把守的滴泪、三坡、瓦窑坪、石虎等各个关隘，一直抵达娄山关。
娄山关地势险峻，万峰竞立，直插云天，仅有一条宽仅数尺的小路可通。匪徒在此设置了木栅栏十四座，两侧都挖有深沟，极其险要。刘綎分派左右两路奇兵从小路直插关隘背后，自己则统领大军从正面仰攻，最终夺取了娄山关，并追击敌人到永