很多人不以为然，但司马懿认为如此，让郭淮屯兵北原。不久，诸葛亮率大军西行，诸将都认为诸葛亮想攻西围。郭淮则认为，诸葛亮虚张声势是要让魏军大举回应，而他的目标是阳遂。夜里，蜀军果然进攻阳遂，因城中早有防备，诸葛亮没能成功。五月，十万吴军攻魏，配合蜀军作战，被满宠所拒。七月，魏明帝曹率兵亲征，吴军撤兵。
群臣认为司马懿正还在西边和诸葛亮重兵对峙，车驾可西幸长安，魏明帝则说：“孙权大军已经撤回，诸葛亮孤军无援、难成气候，大将军司马懿足以抵挡，我没有什么忧虑了。”诸葛亮东进的道路受阻于司马懿，从渭水前进，又有郭淮阻挡，于是移军攻取大散关、陇城等地，回师进攻司马懿。
与司马懿对阵的诸葛亮
八月，司马懿以“坚壁拒守，以逸待劳”的指示，与诸葛亮相持百余日。诸葛亮数次挑战，司马懿均坚壁不出，以待其变。诸葛亮便派人给司马懿送去妇人的服装，欲激司马懿出战，司马懿仍不出战。
为平息部属不满情绪，司马懿故意装怒，上表请战。曹不许，并派骨鲠之臣辛毗[pi]杖节来做司马懿的军师，以节制他的行动。诸葛亮一来挑战，司马懿就要带兵出击，辛毗杖节立于军门，司马懿便不出兵。蜀将姜维就对诸葛亮说：“辛毗杖节而至，司马懿不会出战了。”诸葛亮则说：“彼本无战情，所以固请战者，以示武于其众耳。
将在军，君命有所不受，苟能制吾，岂千里而请战邪！”诸葛亮遂分兵屯田，做长久屯驻之准备。司马懿的三弟司马孚也来信问前线军情，司马懿回信说：“亮志大而不见机，多谋而少决，好兵而无权，虽提卒十万，已堕吾画中，破之必矣。”
不久，诸葛亮遣使求战，司马懿不谈军事，问使者：“诸葛公起居饮食如何，一顿能吃多少米？”使者说：“三四升。”然后对问政事，使者说：“打二十军棍以上的处罚，都是诸葛公自己阅批。”经过一番不经意的询问，司马懿对人说：“诸葛亮将要死了。”果然，诸葛亮于当月病故于五丈原军中。
蜀将秘不发丧，整军后退。当地百姓跑来报告，司马懿派兵追击，蜀将杨仪返旗鸣鼓，做出回击的样子，司马懿以‘穷寇莫追’收军退回。当时有人传：“死诸葛走生仲达”，司马懿听到笑说：“这是因为我长于预测活人的事，不长于预测人的生死啊。”
第二天，司马懿到诸葛亮营垒巡视，并赞诸葛亮“天下奇才也”。青龙二年（234年）八月，诸葛亮病故于五丈原（宝鸡岐山境内），享年五十四岁。历时七年的诸葛亮北伐至此结束。蜀汉将领杨仪、魏延在撤军后争权，杨仪杀死魏延。司马懿想乘机攻蜀，魏明帝未准，作罢。