次年，刘备与刘璋这对"汉室宗亲"反目成仇，双方大战，魏延在此战中表现相当亮眼，与黄忠等名将平定多郡，因此而成为了牙门将军。等到219年，刘备取得了荆州、益州、汉中等地，进位为汉中王时，便将汉中这个战略要地交给魏延驻守，封他为汉中太守。
当时人们都认为汉中太守的人选非张飞莫属，甚至张飞自己都已经做好了动身前往汉中的准备，但最后刘备却选择了魏延，这个结果一度让人大跌眼镜。然而此后魏延的表现，让人们见识到了刘备的眼光有多么厉害，魏延镇守汉中十多年，从未出过丝毫纰漏，更曾多次打败魏军的进攻。
建兴八年（230年），曹魏派遣三支大军进攻汉中，气势汹汹，势在必得，然而在魏延的运筹统划之下，全都无功而返。甚至于魏延还趁势攻进了曹魏的凉州，打败了曹魏名将费瑶、郭淮的军队，声势浩大，让曹魏为之震恐，他本人也因此被封侯。
