，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，