刘备病逝白帝城。一个月后，太子刘禅即位。廖化被任丞相参军一职，不久又改任广武都督、阴平郡太守。之后又数次跟随诸葛亮直接或间接参与北伐，屡有建树。公元238年九月，作为主将率兵攻打魏周，与魏国雍州刺史郭淮派遣的属将王赟、游奕交战，击败游奕，并致王赟箭伤不治身亡。十年后，凉州羌胡首领治无戴等叛魏降蜀，魏国遣派郭淮追击羌胡。为解羌胡危厄，寥化跟随姜维西迎，抵抗郭淮进攻，安全迎回羌胡首领治无戴等部落。
公元259年六月，廖化升任右车骑将军，授予节符，兼领并州刺史，封中乡侯。官位与张翼相等，但在镇军大将军宗预之上。当时蜀汉有句流行甚广的说法："前有王平、句扶，后有廖化、张翼。"
不过，后来又出了一句"蜀中无大将，廖化作先锋"歇后语。此语的意思是说因无能人高手，不得已让办事水平一般的人出来独当一面。但这句歇后语明显不符历史，因为廖化的才智、武功并不平庸一一时下四川省成都南郊的武侯祠，紧靠刘备殿的偏殿西廊中，立有十四尊蜀汉一朝的武将塑像，廖化排行第八，故尔廖化的武功应该属于中等。
因于廖化出生年月不详，因此人们一直弄不清廖化诈死那年的岁数。在此讲个轶事，用以推算。公元261年，都护诸葛瞻开始统领朝政，廖化路过宗预府时，入内看望宗预，聊谈中，廖化提议一同去诸葛瞻住所拜访。宗预说："吾等年逾七十，得之甚多，惟缺死尔，休再攀扶。"意思是："我俩都是年过七十的人了，得到的荣誉地位也是不少，现在剩下的也就只有等死了，没有必要为取悦晚辈而去登门拜访吧？"于是廖化也就没去。
按照这个轶事推算，这年宗预和寥化的年龄在七十一到七十九之间。公元264年，廖化病逝，据此可定，廖化享年在七十四到八十三之间，而诈死一事发生在公元219年，减去四十五年，廖化诈死时的年龄也就在二十九岁到三十八岁之间。
公元262年秋季，姜维率兵北伐曹魏，已经察觉连年穷兵黩武害国殃民的廖化，发表了自己的看法："用兵如果不知收敛，天长日久，必将自食恶果。伯约（姜维字）其人，智谋上没超过敌人多少，军事力量却比敌人要弱，但他却没认识到这点，坚持用兵，这样下去，自己生存都困难啊。"果然，这年十月姜维被魏国名将邓艾击败，不得已退驻沓中。
莅年八月，司马昭遣派钟会、邓艾进攻蜀汉。刘禅即派廖化带兵前往沓中支援姜维。廖化大军刚至阴平，闻悉魏国名将诸葛绪进攻建
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