公元211年（建安十六年），魏延以私兵身份跟隨主君劉備入蜀，在取蜀攻略中數有戰功，拜為牙門將軍。漢中之戰之后，劉備自立為漢中王，遷回成都，在決定重地漢中的守將時，眾論都以為此職必在張飛，張飛亦以心中自許之。不想劉備卻提拔魏延為督漢中鎮遠將軍、漢中太守，全軍震驚。為此，劉備大會群臣。問魏延：“今天委任你以重任，你上任后，欲如何應對？”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，群臣亦對他所說的話感到很有魄力。劉備稱帝，再被升為鎮北將軍，成為蜀漢獨當一方的大將。

魏延善于培育士卒且膽識過人，勇武戰略兼備，是彌足珍貴的將才，故能得劉備破格提拔。然而其性格驕傲，執著，眾人皆避其鋒芒。以致魏延怒燒棧道后完全無人為其說情辯護，種下日后殺機。

公元227年（建興五年），諸葛亮為預備北伐，進駐漢中，以魏延為督前部、丞相司馬，領涼州刺史。此后，魏延每次都跟隨諸葛亮北伐，每次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，所以魏延常批諸葛亮用兵保守膽小，嘆恨自己的才能無法完全發揮。

例如，諸葛亮第一次北伐時，魏延曾提出建議，認為長安守將夏侯楙怯而無謀，愿意親自帶領精兵五千，由子午谷直取長安，并認為夏侯楙一定會棄城逃走，而諸葛亮認為他的計謀懸危而不用。

公元234年（建興十二年）秋，諸葛亮于五丈原病危時，與長史楊儀、司馬費祎、護軍姜維商討退軍事宜，決議由魏延斷后，姜維次之；但若魏延抗命，就自行引軍撤退。

魏延素與楊儀不和，當諸葛亮死后，真的不愿為楊儀斷后撤軍，自己帶隊率先撤走，這還不止，更放火燒橋阻撓楊儀撤軍。雙方更派人向劉禪互告對方一狀，說對方想造反。

由于魏延最初是以部曲（私兵）身份跟隨劉備入蜀，地位低微，但其后累有戰功，獲得劉備大力重用，提拔為鎮遠將軍，任漢中太守。正因為他升官太快，不少人都對他很妒忌。這次告御狀，宮中的人都偏信了楊儀，于是蔣琬帶兵鎮壓魏延。

此時的楊儀等人經由山谷通道，日夜并行，亦追跡于魏延之后。魏延先至并占據了南谷口，遣兵逆襲楊儀等人，楊儀等人遂命討寇將軍王平在前抵御。

王平對魏延及其先行部隊罵道：“軍師身尚未寒，汝輩何敢乃爾！”魏延部下將士認為錯誤在魏延，不敢為其賣命、軍隊潰散。魏延于是獨與其子數人逃亡，奔漢中。

楊儀派平北將軍馬岱追斬之，并帶回其首級，楊儀起腳踏之：“庸奴！復能作惡不？”遂誅滅魏延三族。

蔣琬率領宿衛諸營，行數十里，聽聞魏延已死，問其原委，乃旋而歸返。

可憐的魏延，一生立下不少戰功，為蜀國出了不少汗馬功勞，到了最后因為爭權而身死，還遭小說家冠以造反之名，令后世都誤會了他。不過，據《三國志》載，即使當時宮中人懷疑魏延，但后主劉禪沒有否定過他，在他死后降旨曰：“仍念前功，賜棺槨葬之。”

魏延的“反骨之說”源自羅貫中長篇小說《三國演義》。該書第五十三回“關云長義釋黃漢昇，孫仲謀大戰張文遠”寫關羽取長沙時，因黃忠沒有用百步穿楊之箭射殺他，被太守韓玄推下問斬。正在這當緊時刻，賬外閃進一將，手起刀落斬殺韓玄救了老將黃忠。這人正是以后蜀漢名將魏延。然而，當關羽引魏延歸來時，孔明卻“喝令刀斧手推下斬之”。劉備問何故，孔明說：“吾觀魏延腦后有反骨，久后必反，故先斬之，以絕禍根”。之后魏延在劉備力保之下保全了性命，并獲得重任，但與諸葛亮之間早已心生嫌隙。直到諸葛亮死后，魏延果然反了，馬岱受軍師遺命于軍前斬之。

《三國演義》安排這一情節，可能是為了證明諸葛先生具有識人先識骨的本領。但，小說沒有描繪魏延具體的骨相，歷史上真實的魏延有將才，但“性矜高”，用今天的話說就是有驕傲矜持，恃才傲物，正是因為這一點，諸葛亮才要刻意壓抑魏延，致使延“嘆恨己才用之不盡”。

所謂“腦后有反骨”為不忠，其實是一樁冤案。《資治通鑒》在魏延被殺后，就明確指出：魏延“實無反意也”。