Trong tiểu thuyết Tam quốc diễn nghĩa, Lưu Diễm xuất hiện ở hồi 91, giữ chức Hành Trung quân sư, Xa kỵ đại tướng quân, Đô hương hầu, đi theo Gia Cát Lượng bắc phạt.[6] Trong bắc phạt lần đầu, quân Hán chiếm được hai quận Nam An, An Định, Gia Cát Lượng phân biệt giao cho Lưu Diễm cùng Ngô Ý thủ vệ.[7] Hình tượng Lưu Diễm không bất tài như trong lịch sử.

Sau khi Đại tướng quân Khương Duy rời Thành Đô đến Đạp Trung làm đồn điền, tại Thành Đô, Hồ thị vào cung gặp hoàng hậu (không phải thái hậu như trong lịch sử), lưu lại hơn một tháng mới về nhà. Lưu Diễm hoài nghi nàng cùng Hậu chủ dan díu, sai binh lính dùng giày đập vào mặt mấy chục phát, cơ hồ gần chết. Hậu chủ giận dữ, sai pháp quan đem Lưu Diễm xử tử.[8] Sự kiện này bị dời từ năm 234 đến 262, vào thời điểm Hoàng Hạo chuyên quyền, ám chỉ Hậu chủ cùng vợ đại thần dan díu, xa hiền thần, thân tiểu nhân.