221年，魏延以部屬身份跟隨君主劉備入蜀，在取蜀攻略中數有戰功，升為牙門將軍。後劉備自立為漢中王，遷回成都，要決定重地漢中的守將，大家都認為張飛會擔任此職，但劉備卻提拔魏延為鎮遠將軍、領漢中太守，全軍震動；劉備大會群臣，問魏延上任後會如何應對，魏延說：“若曹操舉天下而來，請為大王拒之；偏將十萬之眾至，請為大王吞之。”劉備稱好，群臣對他所說的話感到很有力量。劉備稱帝，再被升任為鎮北將軍。劉禪繼位再封都亭侯。
懷才不遇
227年，諸葛亮為預備北伐，進駐漢中，升魏延為丞相司馬、涼州刺史。三年後，魏延西入羌地，大敗魏將費瑤、郭淮，再被升調前軍師征西大將軍、假節、封南鄭侯。後隨諸葛亮北伐，成為當時蜀漢頭號將領，立下了赫赫戰功。魏延每次隨軍北伐，都請諸葛亮給他統領萬兵，另走壹路攻關中，最後與諸葛亮會師於潼關，如同前漢將領韓信的例子，但諸葛亮壹直不許，所以魏延經常說諸葛亮膽怯，恨自己之才不能用盡。依《三國誌》補註《魏略》的記載: 227年，諸葛亮第壹次北伐時，魏延曾在軍議上提出建議，因長安守將夏侯楙怯而無謀，故願自請精兵五千，由子午谷直取長安，並認為夏侯楙壹定會乘城逃走，而諸葛亮認為此計懸危而不用。
兵權禍害
234年，諸葛亮第五次北伐，魏延被任為前鋒，夢到自己頭上生角，問占夢人趙直，趙直說：“夫麒麟有角而不用，此不戰而賊欲自破之象也。”退後卻對人說：“角之為字，刀下用也；頭上用刀，其兇甚矣。”。後來諸葛亮於五丈原病危時，與楊儀、費祎、姜維商討退軍事宜，決議由魏延斷後，但同時也擔心魏延抗命，所以也決議如果魏延抗命的話，就自行引軍撤退，讓形勢上等同強迫魏延斷後。諸葛亮死後，楊儀掌握軍權，秘不發喪，並命費祎去試探魏延。魏延既不滿北伐又告中斷，更憤恨竟然要聽命於政敵楊儀作斷後將，所以強留費祎***謀奪取兵權。費祎佯裝附和，並騙魏延要回營押解楊儀為首的壹幹文吏過來，遂得逃出回報。魏延派人查探大營，發現大軍正在做撤退準備。魏延發覺自己被強迫斷後後勃然大怒，搶先領軍急退，並燒毀沿途閣道。此時楊魏兩人皆飛檄告狀，指控對方謀反。後主劉禪問留守的蔣琬和董允該信何人，蔣董兩人都懷疑魏延。魏延先抵達南谷口，準備回擊隨後而來的楊儀。楊儀命王平在前防禦，王平對魏延大罵：“公亡，身尚未寒，汝輩何敢乃爾！”魏延的兵士認為魏延理虧，不願為其效力，軍隊潰敗，魏延於是帶著兒子數人逃往漢中。楊儀派馬岱追殺魏延，帶回其首級，並夷其三族。楊儀踏著魏延的斷頭羞辱，罵道：“庸奴！復能作惡不？”
《三國誌》言：“原延意不北降魏而南還者，但欲除殺儀等。”元代的郝經認為楊儀“以私忿殺大將，罪浮於延”。
以上為《三國誌》作者陳壽本傳的記載，不過據裴註引《魏略》所記，受諸葛亮托付兵權的是魏延，楊儀因怕魏延趁機相害，所以造謠說魏延要北上投敵，並發兵攻之，然而被誣陷的魏延深恐與戰則清白難雪，所以只逃不戰，最後終於被追殺。裴松之認為此說法是在曹魏的傳言，蜀漢陳壽的《三國誌》比較可信。