建安十六年（211年），劉備應劉璋之邀，入川幫助劉璋抵御張魯，魏延以部曲隨劉備入蜀作戰，劉備軍北上抵抗張魯，駐守葭萌關。

建安十七年（212年），劉備與劉璋決裂，起兵攻打劉璋，派遣與卓膺、黃忠一起占據涪城，當時劉備軍兵不滿萬，孤軍無糧，而劉璋拒絕堅壁清野的戰術，派遣劉璝、張任、泠苞、鄧賢、吳懿等將領率領精銳前去阻擊劉備軍，劉備軍大破劉璋軍，后來派遣黃忠、魏延等分統軍隊平定廣漢郡，數有戰功，遷升為牙門將軍。 [2] 

建安十九年（214年），魏延隨劉備攻克重鎮雒城，并與諸葛亮、張飛等人一起包圍成都。

建安二十四年（219年），劉備于沔陽自稱漢中王，并定治所于成都，于是當留大將以鎮漢中，當時大多數人的意見都認為張飛應當擔任漢中太守，張飛也覺得這個位置非自己莫屬，但是劉備卻意外的提拔魏延為漢中都督、漢中太守，并將魏延從牙門將軍升為鎮遠將軍。全軍上下聽聞此事一片震驚。一日，劉備大會群臣，問魏延道：“委任你這個重任，你打算說點什么嗎？”魏延朗聲答道：“如果曹操舉傾國之力前來，我請求為大王擋住他，如果是一偏將率十萬大軍前來，我請求為大王吞并了他。”劉備聽后感到十分滿意，群臣也為魏延這番話而稱贊其雄豪。 [3] 

章武元年（221年），劉備稱帝，建立蜀漢，魏延進封為鎮北將軍。

建興元年（223年）四月，劉備去世，五月，太子劉禪登基，魏延被封為都亭侯。 [4] 

建興五年（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。

建興八年（230年），曹魏三路大軍進攻蜀漢漢中地區，其中兩路因大雨退還，此時的魏延也率一支偏師西入羌中、攻擊曹魏涼州地區，魏延率領軍隊行至陽溪一帶，遇到曹魏后將軍費瑤、雍州剌史郭淮的大軍，兩軍會戰，魏延大破費瑤和郭淮。獲得大勝的魏延也因此被提拔為前軍師、征西大將軍，而且授予假節，進封為南鄭侯。 [5] 

建興九年（231年），諸葛亮第四次北伐，與司馬懿對峙。據《漢晉春秋》記載，司馬懿使張郃攻王平于南圍，自己親率主力與諸葛亮正面決戰。諸葛亮使魏延、高翔、吳班逆戰，魏兵大敗，獲甲首三千級，司馬懿還保營。 [6] 

建興十年（232年），魏延與劉琰不和，言語虛誕，諸葛亮責備劉琰，劉琰其后作箋道歉。

魏延每次隨軍北伐，都請諸葛亮給他統領萬兵，另走一路攻關中，最后與諸葛亮會師于潼關，如同前漢將領韓信的例子，但諸葛亮一直不許，所以魏延經常說諸葛亮膽怯，恨自己之才不能盡用。 [7]  依《三國志》補注《魏略》的記載：諸葛亮第一次北伐時，魏延曾在軍議上提出建議，因長安守將夏侯楙怯而無謀，故愿自請精兵五千，由子午谷直取長安，并認為夏侯楙一定會棄城逃走，而諸葛亮認為此計懸危而不用。 [8] 

魏延善養士卒，勇猛過人，但性格高傲，性情極惡，人人都避其鋒。唯獨楊儀不屑魏延，與他勢成水火，甚至有數次魏延拿刀作勢要殺楊儀的舉動；諸葛亮愛惜二人，費祎也常為二人調解。 [9] 

建興十二年（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。”退后卻對人說：“角之為字，刀下用也；頭上用刀，其兇甚矣。” [10] 

同年秋天，諸葛亮病情加重，把兵權托付給魏延。

大軍都隨楊儀徐徐退卻，魏延大怒，日夜兼程，趕在楊儀大軍前面，所走過的地方都燒絕閣道。楊儀和魏延都互相上表劉禪說對方謀反，劉禪問侍中董允、留府長史蔣琬，到底是誰想造反，董蔣二人都擔保楊儀懷疑魏延。魏延先占據南谷口，率軍出擊楊儀大軍，楊儀命令王平在前抵御魏延。王平罵魏延的先頭部隊：“諸葛丞相剛剛去世，尸骨未寒，你們安敢如此！？”大軍知道錯在魏延，不聽魏延命令，都鳥獸散了。只有魏延與其兒子數人逃亡，逃到漢中。楊儀派遣馬岱追上了魏延并且斬了他，將頭顱獻于楊儀。楊儀用腳踐踏魏延的頭顱，并且罵道：“庸奴！你還能再作惡么？”于是誅滅魏延三族。 [11] 

因為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，并發兵攻之，然而被誣陷的魏延深恐與戰則清白難雪，所以只逃不戰，最后終于被追殺。