景耀六年（263年）八月，司马昭兴兵进攻蜀汉。后主刘禅派遣廖化去往沓中支援姜维，张翼、董厥前往阳安关口作为各围守的外援。廖化率军北至阴平，听闻魏将诸葛绪攻向建威，于是停下来等待，观察其动向。
同年九月，姜维为邓艾所逼，从沓中退驻阴平，与廖化合军，欲前往救援阳安关口。中途得知阳安关口被攻克，钟会军长驱直入，于是放弃阴平，撤往白水，后又与刚好到达汉寿的董厥、张翼军会合，一同退守剑阁，抵御钟会的进攻。
十一月，诸葛瞻在绵竹被邓艾击败，后主刘禅动向不明，廖化等人于是随姜维向东进入巴西郡，绕道退至广汉郡郪县一带，以察明虚实，不久后得到后主刘禅投降的敕令，于是与姜维等到涪县向钟会投降。
景元五年（264年）春，廖化与宗预一起向内迁移前往洛阳，在中途病逝。
在小说《三国演义》中，廖化的形象与历史有较多出入。廖化首次出场于第27回，初为黄巾军，因世乱流落江湖，聚众五百余人，劫掠为生。关羽千里寻兄，廖化同伴杜远下山巡哨，误将刘备两夫人劫掠上山。
杜远想要与廖化各分一人为妻，廖化却要将她们送归，杜远不从，被廖化斩杀。之后廖化想要跟随关羽，关羽虑其黄巾出身不从，于是拜别。
等到刘备入益州时，廖化再引军投靠，刘备命其助关羽守荆州。后关羽攻襄阳，以廖化为先锋，数有功劳。
荆州被吕蒙袭取后，廖化突围往上庸、成都求救。刘备起兵伐吴，廖化随从。后主继位，廖化为飞卫将军，以副将身份随诸葛亮北伐。后又同关兴共为先锋，屡立战功，曾杀败司马懿，得其金盔，录为头功。
诸葛亮去世，廖化又数次任先锋，跟从姜维北伐。后为右车骑将军，守汉中。汉亡，廖化随姜维诈降魏将钟会，事败，与董厥都托病不起，不久因忧而死。
但是刘备被杀后，廖化便被南归的孙坚收服！到如今，廖化已经被孙权任命为一郡之守！
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