219年，刘备终于拿下了梦寐已久的汉中。汉中郡是西川的门户，易守难攻。法正就对刘备说过：若失汉中，则三巴不振。荀彧也对曹操说过：自汉中而取川蜀，易如反掌，可见汉中有多重要。当时蜀中的诸将都认为刘备一定会让车骑将军张飞镇守这里。但出人意料的是，刘备却拜魏延为镇远将军，后改为镇北将军，让他镇守汉中。

刘备一生阅人无数，所以他能一眼看出马谡言过其实。后来马谡果然在街亭兵败，导致诸葛亮第一次北伐全盘皆输。可见，刘备的军事能力虽然不如曹操，但在用人方面与曹操旗鼓相当。他让魏延去守重要的汉中，说明他足够认可魏延的能力。

在刘备活着的时候，他曾问魏延：“我让你来镇守汉中，你将会有什么作为？”魏延回答说：“如果曹操举中原之军前来，我请求为汉中王抵挡他；如果是他手下的将军率十万军马前来，我请求为汉中王歼灭他。”刘备把这番话公布到军营里，军中无不佩服魏延的勇略。《三国志·魏延传》

227年，蜀汉丞相诸葛亮出兵北伐，特别以魏延为蜀军先锋。当时，蜀国名将已大多凋零。刘备生前所倚重的嫡系将领关羽、张飞、黄忠、马超等人已经相继离世，赵云更是垂垂老矣。诸葛亮所能用的大将就只剩下镇北将军魏延了。

魏延的能力在战场上表现得淋漓尽致，并不输给同时期的魏国名将张郃。在阳溪一战中，他重创魏国后将军费曜和雍州刺史郭淮的部队，为诸葛亮牵制了魏军，要知道这两个人都是后来魏国的封疆大吏。

考虑到魏国的国力远强于蜀汉，诸葛亮北伐必然受阻于陇西。常年身临前线的魏延曾经大胆向诸葛亮提出请求，让他率领一万兵马，从褒中出击，循秦岭往东，沿子午谷向北，并预计自己十天之内可拿下长安。魏延认为只要拿下长安，就可以切断陇西与魏国关中的建议，并联络羌族夹攻曹魏。

当时镇守长安的是魏国驸马夏侯楙，这个人是历史上有名的纨绔子弟，并不会带兵。等到后来，魏明帝果然让名将张郃取代夏侯楙镇守长安。面对能征善战的张郃，再想突袭长安就困难了。

诸葛亮坚持要步步为营，结果出师7年不仅劳民伤财、兴师动众，而且未得一寸土地（《三国志》：蜀汉连年征战，师老兵疲，我今伐之，易如反掌）。北伐的时间久了，魏延认为是诸葛亮胆小，遭到了诸葛亮的疏远。加上魏延依仗资历老，得罪了军中很多人。

公元234年，最后一次北伐又失败了。诸葛亮在临终前，召集杨仪、费袆、姜维等人召开了最后的会议，并下达命令说:“在我死后，由杨仪主持撤退的事宜，让魏延率军阻挡魏国追兵，姜维的军队保持在魏延的前面。如果魏延不愿断后，大军也要照常撤退”。

当时，魏延正在第一线对抗司马懿、牛金的军队，所以没有能够在第一时间接到这份命令。《三国志》记载了魏延接到命令后说的一段话，大意是：丞相去世了，我魏延还在啊。去世的官员只要按照国家的制度下葬就可以了，我还可以继续作战。怎么能因为某个人的死而耽搁北伐大业。

当时包括王平、张翼等人在内的诸将都觉得应该由威望最高的征西大将军魏延接替丞相诸葛亮掌兵，而魏延自己也是这么觉得的。可让魏延没想到的是，诸葛亮不仅将大军撤退的事宜交给了别人，而这个人还是魏延的政敌杨仪。恼羞成怒的魏延丧失理智，下了人生中最大的一步昏棋。

为了报复杨仪，魏延出兵拦截撤退中的蜀军大部队。这是魏延的错误做法，也是给他带来杀身之祸的直接原因。长史杨仪虽然是个碌碌无为的文官，但是做起事来却心狠手辣。他与魏延同时上奏朝廷，诬陷对方谋反。

刘禅一时拿不定主意，就向董允和蒋琬等老臣咨询意见。董允和蒋琬认为杨仪不具太大的威胁，而魏延拥兵在外，难以控制，两人都一口咬定魏延谋反。刘禅于是下令蜀汉沿途的关口紧闭，阻止魏延回到成都。

魏延孤军占据南谷口，被打得大败。从他逃亡的路线来看，他要是想在诸葛亮死后投靠魏国，那是轻而易举的，根本没有必要往汉中逃去。《三国志·魏延传》记载了魏延死前说过的一段话：“我不想往北去投降魏国，只想杀掉杨仪这个自作主张的小人。”

正史《三国志》里还记载，魏延兵败后，杨仪公报私仇，派马岱的军队去追击魏延父子，在汉中将魏延父子枭首。杨仪踩踏着魏延父子的人头，骂道:“庸奴，复能作恶否？”

魏延被杀后，杨仪又下令灭了魏延三族，远远不只是《三国演义》中提到的马岱挥刀杀完魏延就完事了。一代名将魏延死后，蜀中诸将青黄不接，人才匮乏。而《三国演义》本着赞扬诸葛亮和奉蜀汉为正统的原则，刻意将魏延写成了脑后长有“反骨”的形象。