建兴五年(227年)，诸葛亮为北伐中原而进驻汉中，再次晋升魏延为凉州刺史。
建兴八年(230年)，曹魏三路大军进攻蜀汉汉中地区，其中两路因大雨退还，此时魏延率军迎战曹魏唯一还在进攻的部队，以后将军费瑶、雍州剌史郭淮率领的主力的大军，魏延大破费瑶和郭淮，魏延也因此被提拔为征西大将军，而且授予假节，进封为南郑侯。建兴九年(231年)，诸葛亮第四次北伐，与司马懿对峙，据《汉晋春秋》记载，司马懿命张郃围攻王平于南围，诸葛亮派魏延援救王平，此战魏延大败魏国名将张郃，吓得司马懿不敢出战。
魏延在随诸葛亮北伐中原的战役中，数次请求诸葛亮拨给他精兵，由他效仿韩信出奇兵于子午谷，最后与诸葛亮会师于潼关，但诸葛亮一直不许，所以魏延经常感叹自己之才不为所用。
《三国志》中曾记载：诸葛亮第一次北伐时，魏延曾在军事会议上提出建议，因长安守将夏侯楙怯而无谋，故愿自请精兵五千，由子午谷直取长安，并认为夏侯楙一定会弃城逃走，那时长安唾手可得，中原即可大定，而诸葛亮却认为此计悬危而不用。
魏延虽然精通兵法，勇猛绝伦，但诸葛亮的挚友杨仪却对魏延不屑一顾，而魏延也数次声称要拿刀剁了杨仪，此举无疑为他自己埋下了*身之祸。
.建兴十二年(234年)，诸葛亮再次北伐，魏延被任为前锋，同年秋天，诸葛亮因病逝世于五丈原。此时长史杨仪、司马费祎、护军姜维等率军退回汉中并令魏延断后，魏延大怒道:"丞相虽然身亡，但还有我呢，怎么能因一个人的死而荒废天下大事呢? 再说，我魏延是何人，怎么能受杨仪的摆布，做断后的将领呢?"随后便日夜兼程，赶在杨仪大军的前面，用烧毁栈道的方式来阻止杨仪退兵。
随后杨仪和魏延都互相上表刘禅说对方谋反，刘禅问侍中董允、留府长史蒋琬，到底是谁想造反，此时魏延人际关系上的短板显露了出来。
董、蒋二人都担保杨仪忠心而称魏延谋反，在这种跳进长江也洗不清的情况下，魏延只得率其子魏猛及数名随从逃亡往汉中，但最终被杨仪派遣的马岱追上并将魏延父子斩*，马岱在将魏延的头颅献与杨仪之后，睚眦必报的杨仪竟然用脚来践踏魏延的头颅，并且恶狠狠骂道:"庸奴!你还能再作恶么?"随后他又诛灭了魏延的三族。
关于魏延是否谋反，《三国志》中曾记载:"原延意不被降魏而南还者，但欲除*仪等。"这就是说魏延根本就不是降魏，只不过是想诛*杨仪。这也不难理解，如果大军回川之后，睚眦必报的杨仪能饶过对头魏延吗？
