Chùa Nhất Trụ với cột kinh cổ nhất Việt Nam
Năm 968, khi Đinh Bộ Lĩnh lên ngôi, đặt quốc hiệu là Đại Cồ Việt, định đô ở Hoa Lư, Đinh Liễn được phong làm Nam Việt Vương.
Năm 972, Đinh Liễn phụng mệnh cha đi sứ nhà Tống . Năm sau ông trở về. Nhà Tống sai sứ sang phong cho vua Đinh làm Giao Chỉ quận vương và phong Đinh Liễn làm Kiểm hiệu thái sư, Tĩnh Hải quân tiết độ sứ An Nam đô hộ 
Năm 975, nhà Tống sai Cao Bảo Tự cùng Vương Ngạn Phù đem chế sách sang gia phong cho Nam Việt vương Đinh Liễn làm Khai phủ nghi đồng tam ty, Kiểm hiệu thái sư, Giao Chỉ quận vương  (Tống sử, quyển 488 thì chép việc phong này là cho Đinh Bộ Lĩnh ). Từ đó về sau, trong việc sai sứ sang nhà Tống, vua Đinh đều lấy Liễn làm chủ.

Tranh ngôi thái tử

Năm 978, Đinh Bộ Lĩnh lúc đó đã có thêm 2 người con trai bé là Đinh Hạng Lang và Đinh Toàn. Vua yêu con thứ nên lập Hạng Lang làm Thái tử. Một số nhà nghiên cứu hiện nay như Ông Nguyễn Văn Son, Hội viên Hội Di sản văn hóa Việt Nam, người ở Cố đô Hoa Lư cho rằng Đinh Liễn không được lập làm thái tử do Vua Đinh nhận thấy con trai đã được nhà Tống thừa nhận 
Đầu năm 979, Đinh Liễn quá giận dữ nên đã sai người ngầm giết Hạng Lang . Sau đó, để làm nguôi lòng cha mẹ, ông đã sai dựng những cột kinh khắc bài Phật-đỉnh Tôn-thắng Đà-la-ni để cầu siêu cho người em. Phần lạc khoản trên các cột kinh là lời sám hối của ông, có mấy đoạn sau:
Như vậy, trên các tràng kinh này Đinh Liễn đặt lại tên mình là Khuông Liễn để tỏ ý tôn kính quốc sư Khuông Việt và sùng Phật . Hiện nay các nhà nghiên cứu đã phát hiện được di tích của gần 20 cột kinh tại Hoa Lư.

Cái chết của Nam Việt vương

Cuối năm 979, cả vua Đinh Tiên Hoàng và Đinh Liễn bị sát hại trong cung  Lúc đó ông khoảng gần 40 tuổi. Người con trai còn lại của Đinh Tiên Hoàng là Đinh Toàn được đưa lên ngôi, tức là Đinh Phế Đế.
Theo sử sách, người sát hại cha con Đinh Liễn là nội nhân Đỗ Thích[2], nhưng một số nhà nghiên cứu gần đây đặt giả thiết vụ này chủ mưu là Lê Hoàn và hoàng hậu Dương Vân Nga. Động cơ và hoàn cảnh của vụ án này thực chất là ngôi thái tử và gần giống với Vụ án Lệ Chi Viên sau này. (Xem thêm bài về Đinh Tiên Hoàng).
Sử sách không ghi chép về gia quyến Đinh Liễn, chỉ biết ông có một người vợ là em gái sứ quân Ngô Nhật Khánh. Theo gia phả họ Đinh Danh ở Thái Bình, sau khi Đinh Toàn lên ngôi, Lê Hoàn làm phó vương đã "cấm cố họ Đinh", vì vậy gia đình Đinh Liễn đã phải chạy đi nơi khác và thế hệ sau của họ này chính là Đinh Lễ, Đinh Liệt - các công thần khai quốc nhà Hậu Lê.
Sách Đại Việt sử ký toàn thư, bản kỉ quyển 1 chép:
Mùa xuân [năm Kỷ Mão, 979], Nam Việt Vương [Đinh Liễn] giết chết Hoàng Thái Tử Hạng Lang. Đinh Liễn là con trưởng của Nhà vua, thuở hàn vi từng chịu đựng gian khổ, khi thiên hạ được thái bình, ý vua cũng muốn truyền ngôi cho, bèn phong làm Nam Việt Vương. Đinh Liễn lại cũng từng chịu mệnh và nhận tước vị của nhà Tống ban cho. Nhưng về sau, vua sinh được người con trai nhỏ là Hạng Lang, rất mực yêu quý, bèn lập Hạng Lang làm Thái Tử. Đinh Liễn bất bình, liền sai người lập mưu giết đi 
Đinh Liễn là người đã trưởng thành, có công lao, lại được vua Tống thừa nhận trong quan hệ ngoại giao. Việc ông bị giết cùng vua Đinh là một trong những lý do khiến nhà Tống lấy cớ để khởi binh sang đánh nước Đại Cồ Việt.
Có ý kiến cho rằng xưa kia (năm 951), khi Đinh Bộ Lĩnh sai người nhằm Đinh Liễn (đang bị hai vua Ngô treo trên sào) mà bắn tức là trong lòng vua Đinh đã không có Liễn rồi. Tuy nhiên suy diễn như vậy có phần phiến diện. Trong hoàn cảnh bức bách này, vua Đinh buộc phải làm cách đó vì đại sự và không phải vua Đinh không yêu Đinh Liễn. Giống như trường hợp Lưu Bang, khi thấy Hạng Vũ đặt cha mình lên thớt, Bang thương cha nhưng vẫn buộc lòng phải nói: "Cha ta cũng như cha ngươi, nếu ngươi nấu cha ta thì cho ta xin bát nước luộc với!" Có nói như vậy Hạng Vũ mới "nản lòng" không giết cha Lưu Bang nữa. Việc Đinh Liễn giết Hạng Lang là nhẫn tâm, nhưng Tiên Hoàng không trừng phạt ông cho thấy vua Đinh vẫn có ý để ông là người nối nghiệp. Tiên Hoàng đã nhận ra sai lầm lần đầu khi lập con nhỏ, bỏ con lớn và nhà vua đã đủ sáng suốt khi không giết nốt con lớn, chỗ dựa lớn nhất của ông trong việc duy trì sự nghiệp nhà Đinh.
Đinh Liễn cùng Đinh Bộ Lĩnh, Đinh Toàn và Đinh Hạng Lang được thờ ở Đền Vua Đinh Tiên Hoàng, thuộc quần thể di tích cố đô Hoa Lư, huyện Hoa Lư, Ninh Bình.