公元211年（建安十六年），魏延以私兵身份跟随主君刘备入蜀，在取蜀攻略中数有战功，拜为牙门将军。汉中之战之后，刘备自立为汉中王，迁回成都，在决定重地汉中的守将时，众论都以为此职必在张飞，张飞亦以心中自许之。不想刘备却提拔魏延为督汉中镇远将军、汉中太守，全军震惊。为此，刘备大会群臣。问魏延：“今天委任你以重任，你上任后，欲如何应对？”魏延说：“若曹操举天下而来，请为大王拒之；偏将十万之众至，请为大王吞之。”刘备称好，群臣亦对他所说的话感到很有魄力。刘备称帝，再被升为镇北将军，成为蜀汉独当一方的大将。
魏延善于培育士卒且胆识过人，勇武战略兼备，是弥足珍贵的将才，故能得刘备破格提拔。然而其性格骄傲，执著，众人皆避其锋芒。以致魏延怒烧栈道后完全无人为其说情辩护，种下日后杀机。
公元227年（建兴五年），诸葛亮为预备北伐，进驻汉中，以魏延为督前部、丞相司马，领凉州刺史。此后，魏延每次都跟随诸葛亮北伐，每次都请诸葛亮给他统领万兵，另走一路攻关中，最后与诸葛亮会师于潼关，如同前汉将领韩信的例子，但诸葛亮一直不许，所以魏延常批诸葛亮用兵保守胆小，叹恨自己的才能无法完全发挥。
例如，诸葛亮第一次北伐时，魏延曾提出建议，认为长安守将夏侯楙怯而无谋，愿意亲自带领精兵五千，由子午谷直取长安，并认为夏侯楙一定会弃城逃走，而诸葛亮认为他的计谋悬危而不用。
公元234年（建兴十二年）秋，诸葛亮于五丈原病危时，与长史杨仪、司马费祎、护军姜维商讨退军事宜，决议由魏延断后，姜维次之；但若魏延抗命，就自行引军撤退。
魏延素与杨仪不和，当诸葛亮死后，真的不愿为杨仪断后撤军，自己带队率先撤走，这还不止，更放火烧桥阻挠杨仪撤军。双方更派人向刘禅互告对方一状，说对方想造反。
由于魏延最初是以部曲（私兵）身份跟随刘备入蜀，地位低微，但其后累有战功，获得刘备大力重用，提拔为镇远将军，任汉中太守。正因为他升官太快，不少人都对他很妒忌。这次告御状，宫中的人都偏信了杨仪，于是蒋琬带兵镇压魏延。
此时的杨仪等人经由山谷通道，日夜并行，亦追迹于魏延之后。魏延先至并占据了南谷口，遣兵逆袭杨仪等人，杨仪等人遂命讨寇将军王平在前抵御。
王平对魏延及其先行部队骂道:“军师身尚未寒，汝辈何敢乃尔！”魏延部下将士认为错误在魏延，不敢为其卖命、军队溃散。魏延于是独与其子数人逃亡，奔汉中。
杨仪派平北将军马岱追斩之，并带回其首级，杨仪起脚踏之:“庸奴！复能作恶不？”遂诛灭魏延三族。
蒋琬率领宿卫诸营，行数十里，听闻魏延已死，问其原委，乃旋而归返。
可怜的魏延，一生立下不少战功，为蜀国出了不少汗马功劳，到了最后因为争权而身死，还遭小说家冠以造反之名，令后世都误会了他。不过，据《三国志》载，即使当时宫中人怀疑魏延，但后主刘禅没有否定过他，在他死后降旨曰：“仍念前功，赐棺椁葬之。”
魏延的“反骨之说”源自罗贯中长篇小说《三国演义》。该书第五十三回“关云长义释黄汉昇，孙仲谋大战张文远”写关羽取长沙时，因黄忠没有用百步穿杨之箭射杀他，被太守韩玄推下问斩。正在这当紧时刻，账外闪进一将，手起刀落斩杀韩玄救了老将黄忠。这人正是以后蜀汉名将魏延。然而，当关羽引魏延归来时，孔明却“喝令刀斧手推下斩之”。刘备问何故，孔明说：“吾观魏延脑后有反骨，久后必反，故先斩之，以绝祸根”。之后魏延在刘备力保之下保全了性命，并获得重任，但与诸葛亮之间早已心生嫌隙。直到诸葛亮死后，魏延果然反了，马岱受军师遗命于军前斩之。
《三国演义》安排这一情节，可能是为了证明诸葛先生具有识人先识骨的本领。但，小说没有描绘魏延具体的骨相，历史上真实的魏延有将才，但“性矜高”，用今天的话说就是有骄傲矜持，恃才傲物，正是因为这一点，诸葛亮才要刻意压抑魏延，致使延“叹恨己才用之不尽”。
所谓“脑后有反骨”为不忠，其实是一桩冤案。《资治通鉴》在魏延被杀后，就明确指出：魏延“实无反意也”。
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