崭露头角
建安十六年(211年) ， 刘备应刘璋之邀 ， 入川帮助刘璋抵御张鲁 ， 魏延以部曲随刘备入蜀作战 ， 刘备军北上抵抗张鲁 ， 驻驻葭萌 。
建安十七年(212年) ， 刘备与刘璋决裂 ， 起兵攻打刘璋 ， 派遣与卓膺、黄忠一起占据涪城 ， 当时刘备军兵不满万 ， 孤军无粮 ， 而刘璋拒绝坚壁清野的战术 ， 派遣刘璝、张任、泠苞、邓贤、吴懿等将领率领精锐前去阻击刘备军 ， 刘备军大破刘璋军 ， 后来派遣黄忠、魏延等分统军队平定广汉郡 ， 数有战功 ， 迁升为牙门将军 。
建安十九年(214年) ， 魏延随刘备攻克重镇雒城 ， 并与诸葛亮、张飞等人一起包围成都 。
镇守汉中
建安二十四年(219年) ， 刘备于沔阳自称汉中王 ， 并定治所于成都 ， 于是当留大将以镇汉中 ， 当时大多数人的意见都认为张飞应当担任汉中太守 ， 张飞也觉得这个位置非自己莫属 ， 但是刘备却意外的提拔魏延为汉中都督、汉中太守 ， 并将魏延从牙门将军升为镇远将军 。全军上下听闻此事一片震惊 。一日 ， 刘备大会群臣 ， 问魏延道：“今天委任你这个重任 ， 你打算说点什么吗？”魏延朗声答道：“如果曹操举倾国之力前来 ， 我请求为大王挡住他 ， 如果是一偏将率十万大军前来 ， 我请求为大王吞并了他 。”刘备听后感到十分满意 ， 群臣也为魏延这番话而称赞其雄豪 。
章武元年(221年) ， 刘备称帝 ， 建立蜀汉 ， 魏延进封为镇北将军 。
建兴元年(223年)四月 ， 刘备去世 ， 五月 ， 太子刘禅登基 ， 魏延被封为都亭侯 。
功勋卓著
建兴五年(227年) ， 诸葛亮为预备北伐 ， 进驻汉中 ， 升魏延为丞相司马、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 ， 此时的魏延也率一支偏师西入羌中、攻击曹魏凉州地区 ， 魏延率领军队行至阳溪一带 ， 遇到曹魏后将军费瑶、雍州剌史郭淮的大军 ， 两军会战 ， 魏延大破费瑶和郭淮 。获得大胜的魏延也因此被提拔为前军师、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 ， 司马懿使张郃攻王平于南围 ， 诸葛亮使魏延、高翔、吴班逆战 ， 魏兵大败 ， 获甲首三千级 ， 司马懿还保营 。
建兴十年(232年) ， 魏延与刘琰不和 ， 言语虚诞 ， 诸葛亮责备刘琰 ， 刘琰其后作笺道歉 。
进献奇计
魏延每次随军北伐 ， 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 ， 所以魏延经常说诸葛亮胆怯 ， 恨自己之才不能尽用 。依《三国志》补注《魏略》的记载：诸葛亮第一次北伐时 ， 魏延曾在军议上提出建议 ， 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 ， 而诸葛亮认为此计悬危而不用 。

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