魏青龙二年(公元234年)二月，诸葛亮动用全部兵力共十万大军从斜谷出发进攻魏，并派遣使者前往东吴约定同时进攻。诸葛亮到达郿县，大军驻扎在渭水南面。魏军统领司马懿率领军队，沿河筑营抵抗诸葛亮。司马懿对将领们说：“诸葛亮如果从武功出发，依山往东进发，那么确实值得担忧;如果向西前往五丈原，你们就可以不必操心了。”诸葛亮果然在五丈原驻军。
雍州刺史郭淮对司马懿说：“诸葛亮肯定会争夺北原，我们应当先行占领这个地方。”参与议论的人多数认为不必这样，郭淮说：“如果诸葛亮跨过渭水登上北原，和北山连兵，断绝长安与陇西的通道，会导致民情不安，这是对国家很不利的。”司马懿便派郭淮驻防北原。堑壕和营垒还没有筑成，蜀军就已浩浩荡荡杀来，郭淮带兵迎战，击退了蜀军。
诸葛亮因为前几次出兵，都因粮草运输跟不上，才没有成功，于是分出部队实行屯田，作为长期驻军的基础。屯田的士兵和渭水之滨的居民杂处，百姓安居乐业，军队不生私弊。
司马懿同诸葛亮相持了一百多天，诸葛亮屡次挑战，司马懿就是不出战。诸葛亮就把妇女用的服饰送给司马懿，司马懿恼羞成怒，上表请求出战。魏明帝派遣卫尉辛毗，持符节担任军师，来节制司马懿的行动。护军姜维对诸葛亮说：“辛毗持符节到来，敌人不会再出战了。”诸葛亮说：“司马懿本来就无心出战，之所以向朝廷请求出战，是要向部下表示自己不害怕出战而已。将领身在军中，君主的命令不一定要接受，如果他真能够打败我，哪里还需要向千里之外的君主请战呀!”
诸葛亮派遣使者到司马懿军中，司马懿向使者询问诸葛亮的睡眠、饮食和事务多寡，而不打听军事上的消息。使者回答说：“诸葛先生早起晚睡，凡是二十杖以上的责罚，都亲自批阅，吃的饭食也不多。”司马懿对别人说：“诸葛孔明进食少而事务烦劳，这样下去能坚持多久呢!”
诸葛亮病重，于当月在军中去世。长史杨仪整顿军马撤退。百姓跑着去报告司马懿，司马懿率领军队追赶蜀军。姜维让杨仪调转战旗顺序，擂响战鼓，像是要向司马懿进攻。司马懿见状，收束军队后退，不敢继续进逼。于是杨仪结阵离去，进入斜谷之后才发丧。百姓为此编了一句谚语说：“死诸葛吓走活仲达(仲达是司马懿的字)。”司马懿听说后，笑着说：“这是我能够猜测活着的诸葛亮，不能够猜测死了的诸葛亮的缘故。”追到赤岸，没能追上蜀军，于是率领军队返回。
各路蜀汉军队返回成都，朝廷宣布大赦，赐诸葛亮谥号“忠武侯”。
当初，诸葛亮曾上表后主说：“我在成都有桑树八百株，薄田十五顷，除供给家人衣食之外，还能有一些富余，我也不另置产业来增加收入。我死的时候，一定不让家里有多余的绢帛和多余的钱财，而辜负陛下对我的恩情。”最后真的就像他所说的那样。蜀地民众请求为诸葛亮建庙祭祀，后主没有准许。百姓就逢时节自己在路上祭祀。
