公元二百五十九年）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，而在镇军大将军宗预之上。当时的人说道：“前有王平、句扶，后有廖化、张翼。”景耀四年（公元二百六十一年），都护诸葛瞻开始统领朝政，廖化路过宗预府上看望他，想同宗预一同到诸葛瞻住所拜访。宗预说：“我们年过七十，所得到的已过多，只缺少一死罢了，为何要相求晚辈而登门拜访呢？”于是没有前往。

景耀五年（公元二百六十二年）秋，姜维率众出狄道北伐曹魏，廖化闲退在家，对几员迟暮的老将说道：“用兵如果不收敛，必将自食恶果，说的就是伯约啊。智谋并未超过敌人，力量比敌人要弱，但用兵却没有满足，这样的话怎么能够生存下去呢？《诗经》说‘我生得不早不晚，偏偏赶上这个时候’，讲的就是现在的事。”果不其然，同年十月姜维在侯和被邓艾击败，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