建兴八年秋，曹真请求出兵讨伐蜀国，曹睿便拜曹真为大司马、征西大都督，司马懿为大将军、征西副都督，刘晔为军师，率兵四十万，出长安攻打汉中。当时，蜀汉丞相诸葛亮也正准备再次北伐，得知曹真、司马懿率兵打来的消息，令王平、张嶷先行驻守陈仓道口，自己率大军随后接应。王平、张嶷知魏兵人多势众，不敢前去，诸葛亮说道：“几天之后将有一场大雨，魏军不敢冒雨深入山区险地，你们放心去吧。等他们退走时，我率大军随后掩杀，必然大获全胜。”王平、张嶷依令而行。诸葛亮随后率大军赶往陈仓。

曹真、司马懿也来到了陈仓。司马懿说道：“我夜观天象，预知将有一场大雨，因此不能急于进兵，就先在陈仓城住下吧。”曹真便令大军驻扎在陈仓城。没过几天。果然下起了大雨，一连下了一个多月，陈仓城里到处都是积水，魏军将士连睡觉的地方都没有，怨声载道。曹睿得到消息，召集文武百官商议，黄门侍郎王肃等人建议传旨班师回朝，曹睿便令曹真、司马懿退兵。曹真、司马懿接到命令，埋伏下两支兵马负责断后，然后就退兵了。诸葛亮在魏兵还没有退走的时候，就料定魏兵将要撤退，于是决定趁着魏军退走之际，出兵攻打祁山。

司马懿见蜀军没有追来，料定诸葛亮已经率兵攻打祁山去了，曹真不信，司马懿说道：“我料定诸葛亮必然从箕谷、斜谷分兵而出。我与都督各自把守一个谷口，十天之内，如果蜀军不来，算我输；如果蜀军赶来，算都督输。”曹真同意了，令司马懿驻守箕谷，自己驻守斜谷。

魏延与张翼、陈式、杜琼率两万大军从箕谷进军，诸葛亮命邓芝传令，让他们小心提防，不要中了魏军的埋伏。陈式不听，一马当先率五千兵马往祁山而来，走不多远，果然中了埋伏，陷入重围，幸亏魏延杀到，才救了他的性命，五千兵马只剩一成。诸葛亮得知陈式战败，令王平、马岱巡视斜谷，如果发现有魏军把守，日夜兼程赶到祁山左侧举火为号；令张翼、马忠赶到祁山右侧举火为号，然后与王平、马岱会合，袭取曹真的营寨；又交给关兴、廖化、吴班、吴懿四将一条密计，令他们依计而行。

曹真不相信蜀军会从斜谷进军，因此不以为然，也不加提防。到第七天时，探马回报发现小股蜀军，曹真便令部将秦良出战，被关兴、廖化、吴班、吴懿打败，秦良战死。关兴等人令将士们穿上魏军的衣服，杀奔曹真营寨而来。曹真以为是秦良得胜回来，不加防备，被关兴等人杀败，幸亏司马懿率兵赶到，才打退了蜀军。随后，曹真、司马懿率兵退回渭滨。曹真当着司马懿的面被诸葛亮打败，忧愤成疾，卧病不起。

诸葛亮率兵来到祁山，将违抗军令的陈式斩首示众，免了同样不遵将令的魏延的死罪。正在此时，诸葛亮得知曹真得病的消息，说道：“司马懿不退回长安，说明曹真病情严重，我给他写一封信，曹真必死无疑。”便给曹真写了一封亲笔信，令俘虏带给曹真。曹真在病**看了诸葛亮的信，当晚便死了。曹睿得知曹真病死的消息，大怒，令司马懿与诸葛亮决战，为曹真报仇。

两军在祁山脚下的平原列阵相迎。司马懿对诸葛亮说道：“我与你一决高下，如果我输了，不再带兵打仗；如果你输了，也要退隐山林。”诸葛亮问道：“比什么？”司马懿说道：“先比阵法。”于是列成混元一气阵，被诸葛亮识破。诸葛亮列成八卦阵[114]，也被司马懿识破。诸葛亮问道：“你敢打我的阵吗？”司马懿听了，便命戴陵、张虎、乐琳三人率兵从“生门”杀进去，从“休门”杀出来，再从“开门”杀进去。戴陵等人杀进蜀阵以后，便好像进了迷宫，杀不出来，最后被蜀军生擒。诸葛亮命人收缴了他们的兵器衣甲，然后抹黑脸面放回魏营。司马懿见了，恼羞成怒，传令全军出击。两军混战之时，关兴从西南方杀出来助阵，姜维也从魏军背后杀出来，司马懿抵挡不住，只得撤退。这一战，司马懿损失过半，退回渭滨南岸坚守不出。

李严派都尉苟安押运粮草到祁山大营，但苟安因为贪酒而误了期限，被诸葛亮责罚，因此怀恨在心，当天夜里便投降了司马懿。司马懿派苟安在成都散布谣言，称诸葛亮有意自立为成都之主。苟安依令而行。刘禅听信谣言，在宦官的怂恿下，令诸葛亮班师回国。诸葛亮接到命令，叹息道：“陛下必然被奸人蒙蔽。现在撤兵，恐怕以后再也没有这种良机了！”说罢传令兵分五路撤退，在退兵时，每天多挖一千个锅灶，作为疑兵之计，使司马懿不敢追击。司马懿得知蜀军撤退的消息，赶到蜀军空营查看，见锅灶一天比一天增多，果然不敢贸然追击。

诸葛亮回到成都，询问刘禅召他回国的原因，刘禅无言以对，沉默很久才说道：“朕思念相父，想见见相父。”诸葛亮说道：“必定是奸人给陛下进献谗言，说我有异心。”刘禅默然无语，最后说道：“我一时听信宦官的谣传，现在也是追悔莫及。”诸葛亮调查得知，谣言是苟安传出的，此时已经逃到魏国去了。诸葛亮严惩了传播谣言的宦官，然后返回汉中，准备再次北伐。

建兴九年二月，诸葛亮再次出兵北伐。诸葛亮接受杨仪的建议，将兵马分为两拨，以一百天为一个周期，轮流出征，以便长期作战。曹睿得到消息，令司马懿率兵迎战。司马懿到长安以后，令张郃为先锋，率兵到祁山与诸葛亮交战。半路上，司马懿得知诸葛亮望斜谷而来的消息，料到蜀军必然要抢收陇西的小麦，便亲自驻守天水，以阻止蜀军抢收小麦。

果然不出司马懿所料，诸葛亮令王平等人留守祁山大营，亲自与魏延、姜维等人率兵来陇西抢收小麦。得知司马懿驻守天水的消息，诸葛亮使用六甲天书[115]中的“缩地”之法，装神弄鬼，吓得司马懿退到天水城，不敢出战。趁着这个机会，诸葛亮派三万精兵连夜收割陇西的小麦，然后退回卤城。三天之后，司马懿才敢出城，从抓获的蜀军俘虏那里得知被诸葛亮装神弄鬼戏弄，不禁勃然大怒。郭淮建议攻打卤城，司马懿便命郭淮为前部向卤城进发，自己率兵接应。

诸葛亮料到司马懿必然率兵攻打卤城，便命魏延、姜维、马岱、马忠分别埋伏在西北、东南、西南和东北的麦田里，自己也埋伏到城外的麦田里。司马懿、郭淮连夜将卤城团团包围，正在此时，麦田中响起号炮声，魏延、姜维等四路伏兵一起杀出，城里的蜀军也杀出来助战，魏军大败。司马懿、郭淮退到一座山顶上。郭淮建议调集雍凉一带的驻军助战，全力围攻蜀军，他再率骑兵突袭剑阁，截断蜀军的归路，司马懿便令孙礼率雍凉驻军随郭淮突袭剑阁。

诸葛亮见司马懿坚守不出，料到魏军偷袭剑阁去了，便命姜维、马岱守卫剑阁，逼郭淮退兵。杨仪回报，军士的轮换期限已到，诸葛亮便命军士准备返回汉中。突然，司马懿率兵攻来，杨仪建议暂缓轮换，诸葛亮不愿破坏法度，令军士依旧返回汉中。将士们见了，纷纷要求出战，一举打败了魏军。正在此时，李严传来消息，称东吴出兵攻打白帝城。诸葛亮大惊，急忙传令全军退回汉中。

张郃、魏平见蜀军退走，请求追击，司马懿不准。几天之后，探马回报，蜀军已经退走了。司马懿到卤城查看，果然发现卤城空空如也，才准许张郃率兵五千追击，又令魏平随后接应。张郃追出三十多里，在魏延、关兴的轮流引诱下，来到木门道口。随后，蜀军用乱石杂木堵住前后出口，张郃进退不得，被蜀军乱箭射死。司马懿得知张郃战死，伤心不已，也收兵回去了。

诸葛亮刚刚回到汉中，刘禅便派尚书费祎前来询问退兵原因，诸葛亮大惊，得知李严没有筹集到粮草，担心诸葛亮怪罪，便假传军情，骗诸葛亮撤兵。诸葛亮大怒，请刘禅严惩李严，刘禅将李严谪[116]为庶人[117]。诸葛亮重用李严之子李丰，令他筹措粮草，准备再次出兵北伐。

建兴十二年二月，诸葛亮再次出兵北伐，率兵三十四万，以姜维、魏延为先锋，出斜谷而来。大军正要出发，传来消息，关兴病故。诸葛亮放声大哭，竟然昏厥于地，半晌才醒。曹睿得到消息，立即召司马懿商议。司马懿说道：“诸葛亮自负其才，逆天而行，真是自取灭亡。臣愿率兵迎战。”曹睿便命夏侯渊的四个儿子夏侯霸、夏侯威、夏侯惠、夏侯和随司马懿出征。

诸葛亮得到魏军驻扎在北原的消息，决定佯攻北原，暗地里却攻打渭滨。魏延、马岱奉命佯攻北原，见魏军有准备，正要撤兵，被司马懿、郭淮兵分两路杀败，退到渭水南岸据守。吴班率兵焚烧魏军的浮桥，也被张虎、乐琳打败，吴班中箭而死。王平、张嶷不知魏延、吴班已经被打败的消息，依旧率兵袭击魏营，也被打败。诸葛亮得知损兵折将的消息，忧郁不已，决定请东吴出兵，共同攻打曹魏。孙权正准备攻打曹魏，便答应诸葛亮的请求，率三十万大军御驾亲征，兵分三路攻打新城、襄阳、淮阳。

诸葛亮得知孙权出兵的消息，传令众将准备进兵。正在此时，魏将郑文前来诈降，被诸葛亮识破，便将计就计，引诱司马懿亲自前来劫营。司马懿深信不疑，决定亲自前去，被司马师劝住，便改派前将军秦朗出战，被诸葛亮设计打败，秦朗死于乱军之中。司马懿见又被诸葛亮打败，决定坚守不出。

探马回报说，粮草已经运到剑阁，但山路崎岖，不便搬运。诸葛亮听了，便命人督造木牛流马[118]，用于搬运粮草。木牛流马很方便地将粮草从剑阁运到祁山大营，解决了蜀军运粮不便的困难。司马懿得到消息，大惊失色，说道：“诸葛亮用木牛流马搬运粮草，便能长久地与我相峙！”急忙命张虎、乐琳夺回几辆木牛流马研究。司马懿令人照着样子制造了两千辆木牛流马，派往陕西搬运粮草。

诸葛亮得到司马懿仿造木牛流马，并从陕西运粮的消息，令王平率领打扮成魏军模样的蜀军前去抢夺。王平抢到木牛流马，往北原而来，在北原遇到魏军，便令军士扭动木牛流马的舌头，然后撤退。魏兵夺回木牛流马，但却不能像以往那样驱赶它们前行，正在疑惑不解时，魏延、姜维、王平兵分三路杀出，魏军败走。王平夺回木牛流马，再次扭转舌头，押着木牛流马回了蜀寨。郭淮率兵赶来，被装扮成鬼神的蜀军吓退。司马懿得到消息，亲自率兵赶来，被廖化、张翼的伏兵打败，司马懿险些被廖化一刀砍死。

司马懿逃回大营，后怕不已。曹睿派使者传来消息，孙权亲率三路大军进攻襄阳、淮阳等地，战事吃紧，令司马懿坚守不出。司马懿便传令三军，谨慎坚守，不得出战。