民屯田，修复褒斜道、陈仓道等交通要道，在汉水两岸开垦军屯，数年之间，汉中“仓廪渐实，民安其业”。军事上，他首创“错守诸围”之法——放弃死守城池的传统战术，在汉中盆地周边的秦岭诸隘口（如陈仓道的散关、祁山道的武都）分设营寨，以少量精兵扼守险要，主力屯驻汉中腹地，形成“敌来则诸围响应，敌退则追而击之”的机动防御体系。
黄初三年（222年），曹丕趁刘备夷陵兵败，命曹真、张合率大军攻汉中。
魏延按既定方略，令陈仓道口守将郝昭以千余人拒守，自己亲率精锐绕后，在陈仓谷设伏。
曹军久攻不克，又遭伏兵突袭，辎重尽失，只得狼狈退军。
此役后，魏延“善用险”的名声传至曹魏，曹丕至死未敢再大规模进攻汉中。
在镇十年，他既治军严明，又与民休息，史载其“晨则巡营教射，暮则亲至田间，问民疾苦”，汉中百姓“虽闻魏武之名，不如闻镇北将军之威”——镇北将军，乃魏延在汉中时的民间敬称。
章武三年（223年），刘备病逝于白帝城，临终托孤诸葛亮。
魏延作为地方重镇的守将，被召回成都，拜为都亭侯——此爵虽低于关羽、张飞的县侯，却已是对其十年镇边之功的肯定。
诸葛亮开府治事，素闻魏延“勇略兼备”，遂将其调入中枢，任丞相司马，兼凉州刺史——后者虽为虚衔，却暗含诸葛亮“北定凉州，断曹魏右臂”的战略意图。
建兴五年（227年），诸葛亮上《出师表》，进驻汉中，筹备第一次北伐。
军事会议上，魏延提出了震惊全军的“子午谷奇谋”：“闻夏侯楙少，主婿也，怯而无谋。
今假延精兵五千，负粮五千，直从褒中出，循秦岭而东，当子午而北，不过十日可到长安。
楙闻延奄至，必乘船逃走。长安中惟有御史、京兆太守耳，横门邸阁与散民之谷足周食也。
比东方相合聚，尚二十许日，而公从斜谷来，必足以达。
如此，则一举而咸阳以西可定矣。”
此计之险，在于子午谷全长六百里，谷道狭窄，易遭伏击，且五千人需在十日急行军中保持战力，更需赌夏侯楙弃城而逃。
然魏延的判断并非空穴来风——夏侯楙乃曹操女婿，素以“膏粱子弟”闻名，长安守军久疏战阵，而诸葛亮主力出斜谷，亦可形成牵制。
后世多以“诸葛亮谨慎”为由否定此计，却忽略了魏延对曹魏内部的精准判断：此时曹丕新丧，曹叡初立，关中防务正处真空期。
此计若成，蜀汉可尽得关中平原，进可图中原，退可守函谷，战略格局将彻底改变。
诸葛亮最终以“安从坦道，宁可无功，不可冒险”为由否决，却在事后对费祎坦言：“文长之谋，非无胜算，然蜀汉国力微薄，若有闪失，再无北伐之力。”
此语道破玄机——非计之不可行，乃国之不可赌。
魏延虽怏怏，却仍遵令而行，率部作为前锋出祁山，在街亭之战前，已兵临陇右，收降南安、天水、安定三郡，一时关中震动。
建兴八年（230年），曹魏反守为攻，曹真、司马懿率大军分三路伐蜀。
诸葛亮遣魏延率偏师西入羌中，意图联络当地部落，牵制魏军侧