Trong Tam Quốc Diễn Nghĩa của nhà văn La Quán Trung, Triệu Vân cùng với Quan Vũ, Trương Phi, Hoàng Trung và Mã Siêu được ca tụng là Ngũ Hổ Tướng nhà Thục Hán. Tuy nhiên, sau khi Lưu Bị đánh bại Tào Tháo ở đại chiến Hán Trung, cũng là lúc nhà Thục Hán cũng bắt đầu sự thoái trào.
Cùng với những thất bại tại Kinh Châu và Di Lăng, là sự ra đi của nhóm Ngũ Hổ Tướng khi Quan Vũ và Hoàng Trung tử trận, Trương Phi bị ám sát, còn Mã Siêu thì bệnh chết, chỉ còn lại duy nhất Triệu Vân là tại thế.
Bản thân Triệu Vân cũng cả đời đi theo Lưu Bị nam chinh bắc chiến, trở thành một trong những mãnh tướng được Lưu Bị tin tưởng nhất.
Đáng chú ý nhất là đến năm Triệu Vân đã lớn tuổi, ông vẫn dũng mãnh tham gia chiến dịch phạt Bắc cùng Gia Cát Lượng. Trong đó trận chiến tại Cơ Cốc có thể nói là trận đánh lớn cuối cùng nhưng cũng là trận thất bại gần như duy nhất trong đời Triệu Vân.
Triệu Vân được ca tụng là đệ nhất võ tướng thời Tam Quốc.
Bối cảnh trận chiến Cơ Cốc bắt đầu từ năm Kiến An thứ 6, Gia Cát Lượng sau khi trình lên Hậu chủ Lưu Thiện "Xuất sư biểu" đã bắt đầu chiến dịch phạt Bắc lần thứ nhất.
Triệu Vân cùng tướng Đặng Chi được lệnh dẫn số ít quân lính thực hiện kế nghi binh, chiếm Cơ Cốc, khiến quân Ngụy nghĩ rằng hướng tiến quân của nhà Thục Hán là công đánh cố đô Trường An.
Trong khi đó, Gia Cát Lượng dẫn đại quân chủ lục của tiến đánh dải Lũng Hữu của Tào Ngụy, khiến quân Ngụy bất ngờ không có sự đề phòng chuẩn bị. Do đó ba quận Nam An, Thiên Thủy và An Định tại Lũng Hữu không có cách nào chống đỡ, các thái thú ba quận thậm chí còn bỏ thành tháo chạy.
Để ngăn cản bước tiến vũ bão của quân đội Thục Hán, Tào Ngụy đã cử mãnh tướng Tào Chân đích thân dẫn đại quân đi đánh chặn. Sau đó, Triệu Vân dẫn một số ít binh lính thành công trong việc dẫn dụ đại quân của Tào Chân đến lối vào Cơ Cốc, tạo điều kiện thuận lợi cho cánh quân chủ lục của Gia Cát Lượng tiếp tục tiến công.
Chỉ tiếc, Mã Tốc lúc này tự ý thay đổi chiến thuật khiến Nhai Đình thất thủ, làm quân Thục mất bàn đạp quan trọng, thì Triệu Vân dù số quân ít ỏi vẫn có thể tiếp tục giữ chân Tào Chân thêm một thời gian dài, giúp Gia Cát Lượng chiến thắng trong cuộc chiến thời gian với Tư Mã Ý ở Lũng Hữu.
Mã Tốc được xem là chân truyền của Gia Cát Lượng, trước đó lại góp công trong chiến dịch bình định phía Nam, nên trong chiến dịch phạt Bắc lần này được Gia Cát Lượng tin tưởng giao cho trấn thủ trọng điểm Nhai Đình.
Tuy nhiên, vì tự cho mình là thông minh, Mã Tốc đã làm trái kế sách đề ra của Gia Cát Lượng, thay vì đóng quân ở đường lớn gần nguồn nước để dễ dàng cố thủ Nhai Đình, Mã Tốc mang quân đóng trại trên núi với ý đồ từ trên cao đánh xuống thế như chẻ tre. Lúc này tướng quân Tào Ngụy là Trương Cáp ra lệnh bao vây chân núi, chiếm lấy nguồn nước. Quân của Mã Tốc trở nên rối loạn vì thiếu nước và bị Trương Cáp tiến công tiêu diệt.
Nhận được tin Trương Cáp đã chiếm được Nhai Đình, Tào Chân liền xuất binh tổng lực công đánh Triệu Vân. Thế nhưng, nhờ vào bản lĩnh và kinh nghiệm chiến đấu lâu năm, Triệu Vân vẫn có thể cố thủ Cơ Cốc, nhằm câu thêm thời gian giúp đại quân của Gia Cát Lượng rút lui, nhờ đó đã giúp giảm thiểu đáng kể tổn thất cho quân đội Thục Hán.
Sau khi Gia Cát Lượng đang lui binh, Triệu Vân cũng bắt đầu rút quân từ Cơ Cốc, Tào Chân tinh ý phát hiện ý đồ lui binh của quân Thục liền thừa thế truy kích, Triệu Vân thấy vậy chủ động ở lại bọc hậu phía sau.
Trong lúc nguy cấp, Triệu Vân quyết định phóng hóa thiêu rụi Cơ Cốc, đốt cháy con hẻm duy nhất nối giữa Trung Nguyên và Thục Địa, khiến Tào Chân không thể tiếp tục truy đuổi.
Dù bại trận tại cuộc chiến cuối cùng trong đời nhưng Triệu Vân vẫn lập công lớn khi giúp quân Thục rút lui an toàn.
Do đó, trong trận chiến này, Triệu Vân do quân ít thế yếu đã phải chịu thất bại trước đại tướng Tào Chân của nhà Ngụy. Tuy nhiên, trong tình thế cấp bách, Triệu Vân vẫn bình tình ứng phó, giúp quân Thục giảm thiểu tối đa tổn thất, có thế nói tuy bại nhưng vẫn lập công đầu.
Trong "Triệu Vân biệt truyện" có viết, Gia Cát Lượng hỏi rằng "Việc rút quân ở Nhai Đình, binh tướng ta chẳng ai không bị thiệt hại, việc lui quân ở Cơ Cốc, binh tướng ở đấy chẳng mấy tổn thất, lý do vì sao?". Đặng Chi báo lại "Triệu tướng quân tự thân đi đoạn hậu, quân tư trang vật dụng, đều không bỏ sót, binh tướng được vô sự nên không tổn thất gì".
Sau khi về nước, Triệu Vân bị giáng chức thành Định quân tướng quân. Gia Cát Lượng thấy ông không để tổn thất quân sĩ, cho phép ông lấy vải vóc chiếm được để thưởng cho quân nhưng ông từ chối vì đội quân của ông đã để thua trận không đáng nhận thưởng.
Năm đó Triệu Vân cũng đã lớn tuổi, nên Cơ Cốc chính là trận chiến cuối cùng trong đời ông. Một năm sau trận chiến đó, Triệu Vân bệnh nặng qua đời, Ngũ Hổ Tướng nhà Thục Hán cũng biến mất từ đây.