被邓艾击败，退军驻扎于沓中防守。
景耀六年（公元二百六十三年）八月，司马昭兴兵进攻蜀汉。后主刘禅无人可用，只好再次启用老将，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（公元二百六十四年）春，廖化与宗预一起向内迁移前往洛阳，在中途病逝。时人语曰：以果烈称。可惜蜀汉已投降灭亡，廖化七十多岁身死之时，身份已是降将。
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。
此时此刻的廖化，却正是年轻俊彦，自然心比天高。见对面祋祤宫前伍习一马突出，遂喝住随从部众，挺枪跃马上前单搦伍习应战。
伍习本自心惊肉跳，担心有大军来袭，互见来将搦战，心道一对一未必怕了你，一挺枪催马扑了上去。伍习能在西北军中成为郭汜的护卫队长，武艺自有过人之处，一柄枪使的如同风卷狂沙，暴雨般向廖化洒了过去。廖化见来者不善，抖擞精神大喝一声，使出一套绵密的祖传廖家枪法，却是绵里藏针，着着暗藏杀机。火把光下两人都是一身皮甲，两马一黑一红，钢枪舞动如同月影，杀在一处分外好看，身后观战的双方兵将都看的血脉贲张，一时喝彩声铺天盖地而来。
伍习主攻，廖化主守，伍习今夜本饮酒作乐，体力已渐渐不支，满脸大汉淋漓，枪势越来越沉重。一百回合之后，伍习见廖化毫无败像，心里暗道不妙，抓个空挡虚晃一枪，趁廖化挺枪封挡，一拨马扭头就跑，边跑边大喊道：“兄弟们，准备放箭！”
廖化一直留有余力，气息均匀平缓，早看出伍习枪法越来越散乱，早防着他逃跑。见他忽然拨马回头，立刻一枪鞭狠狠抽在自己坐骑后臀上，那马匹吃痛，猛地腾空前窜起来，生生在空中追过伍习胯下马半个身位。廖化身在半空，手中枪却不停顿，又是一个枪扫落叶式，狠狠抽在伍习胯下马腿之上，只听噼啪一声，那马儿惊天动地一声嘶鸣，一个倒栽葱滚倒在地，将正大喊出声
