Tác phẩm Tam Quốc diễn nghĩa của La Quán Trung mô tả Mã Đằng là trung thần nhà Hán, ít xảy ra những lần trở mặt qua lại với các thế lực chư hầu đương thời. Mã Đằng xuất hiện ở hồi 10 khi khởi binh đánh Trường An chống Lý Thôi, nhân danh giúp Hán Hiến Đế.

Trong Tam Quốc diễn nghĩa, Mã Đằng được tái hiện là một nhân vật có tham vọng chính trị lớn. Mã Đằng vốn có "Chí khí lớn" không cam tâm "ở xó Tây Lương hẻo lánh" này mãi. Khi Đổng Trác chuyên quyền, ông ta cũng từng hội quân tham gia đánh Đổng Trác. Khi Lý Thôi, Quách Dĩ làm loạn triều chính, Mã Đằng cùng với Hàn Toại từng mang quân đánh vào kinh thành Trường An với danh nghĩa cứu vua Hán (vào năm 194 Công nguyên) nhưng trên thực tế là có ý định xâm nhập Trung Nguyên giống Đổng Trác. Trong lần này Mã Đằng đã mật kết với một số quan lại trong triều đình như Thị trung Mã Vũ, Gián nghị đại phu Chủng Thiệu, Tá Trung lang tướng Lưu Phạm làm nội ứng để đảo chính nhưng không thành.

Tiếp đến, trong sự kiện "Chiếu thư trong đai ngọc" (Y đái chiếu) Mã Đằng cùng với Đổng Thừa, Vương Tử Phục, Lưu Bị, Cát Bình… cả thảy hơn mười người cùng nhau âm mưu ám hại Tào Tháo, để nhân đó dẫn quân thâm nhập Trung Nguyên. Mã Đằng vào triều, thấy Tào Tháo chuyên quyền, cùng Đổng Thừa, Lưu Bị bàn mưu giết Tào Tháo. Nhưng lúc đó, Lưu Bị đi xa đánh Viên Thuật, Đổng Thừa không làm nên việc gì, ở Tây Lương lại có nhiều việc nên Mã Đằng lại phải trở về Tây Lương. Sau này kế hoạch này thất bại, Đổng Thừa, Vương Tử Phục, Cát Bình... Đều bị Tào Tháo giết chết.

Trước đó, khi Viên Thiệu tập hợp chư hầu đánh Đổng Trác, Mã Đằng cũng là một lộ quân tham gia trong danh sách hội thề, cùng 16 chư hầu khác. Trên thực tế Mã Đằng không đến hội quân với chư hầu dưới cờ Viên Thiệu.[17]

Năm 211, theo kế của Tuân Du, Tào Tháo lấy danh nghĩa thiên tử triệu Mã Đằng về triều phong làm Chinh Nam tướng quân để phối hợp cùng với quân Tào đánh Đông Ngô nhưng thực chất là để cô lập và ám hại Mã Đằng. Sau khi nhận được chiếu thư triệu ông về kinh thành, Mã Đằng bàn bạc với Mã Siêu và cháu là Mã Đại, sai Mã Siêu thống lĩnh quân Khương phòng thủ Tây Lương, đích thân dẫn năm nghìn quân Tây Lương, sai Mã Hưu, Mã Thiết làm tiên phong, Mã Đại dẫn một nghìn quân đi sau tiếp ứng, từ từ kéo sang Hứa Xương, đóng quân cách kinh đô hai mươi dặm. Tào Tháo sai quan Thị lang Hoàng Khuê làm Hành quân tham mưu để tiếp đãi và thương lượng với Mã Đằng.

Hoàng Khuê vốn bất mãn với Tào Tháo, lại biết được Mã Đằng từng tham gia vào vụ mưu sát Tào Tháo trước đó nên đã tiết lộ ý định của Tào Tháo cho Mã Đằng đồng thời bàn kế phối hợp mưu hại Tào Tháo. Vợ lẽ của Hoàng Khuê là Lý Xuân Hương dò biết được kế hoạch đã tiết lộ cho tình nhân của mình là Miêu Trạch (em vợ cả của Hoàng Khuê), Miêu Trạch lập tức mật báo cho Tào Tháo kế hoạch này, đổi lại xin Tào Tháo cho phép Miêu Trạch được cưới Xuân Hương. Tào Tháo biết được kế hoạch này lập tức bắt giam cả nhà Hoàng Khuê, ra lệnh cho Tào Hồng, Hứa Chử, Từ Hoảng, Hạ Hầu Uyên dàn quân phục kích Mã Đằng.

Mã Đằng trúng kế rơi vào trận phục kích, quân Tây Lương bị cung tên sát hại, Tào Hồng dẫn quân đánh chính diện, cánh trái có Hứa Chử, cánh phải là Hạ Hầu Uyên, mé sau là Từ Hoảng đuổi đến cắt đôi quân mã Tây Lương, vây chặt ba cha con Mã Đằng vào giữa. Mã Đằng liều chết chống cự nhưng nhanh chóng bị khống chế, Mã Thiết bị trúng tên chết, Mã Đằng và Mã Hưu cùng bị thương nặng, lại trúng tên nên ngã ngựa nên bị bắt. Tào Tháo giết hai cha con Mã Đằng cùng với Hoàng Khuê bêu đầu thị chúng, lại chém luôn Miêu Trạch, Lý Xuân Hương (với lý do "tiểu nhân, bất nghĩa") đồng thời chiêu an quân mã Tây Lương và phong tỏa các cửa ải bắt Mã Đại.[2]

Cái chết của Mã Đằng theo lời kể của La Quán Trung, là nguyên nhân khiến Mã Siêu khởi binh chống Tào Tháo để báo cừu thù. Theo đó, Khi Mã Siêu ở lại Tây Lương, đêm ngủ mơ thấy mình nằm trên vùng đất có tuyết, một đàn hổ đến ăn thịt, giật mình tỉnh dậy, trong bụng hồ nghi lắm, liền hợp cả tướng tá lại, nói rõ chuyện trong mộng và đó là bối cảnh khởi đầu của trận Đồng Quan trong lịch sử Trung Quốc.

Tuy vậy hư cấu này hoàn toàn trái ngược với chính sử khi Mã Siêu khởi binh chống lại triều đình thì Mã Đằng đang cư trú ở Nghiệp Thành và đang giữ chức Túc vệ trong triều đình.[18]