魏國大將軍曹真收複南安、天水、安定三郡後，自恃有功，上疏請求從斜穀攻打蜀國。曹叡依從曹真，命大將軍司馬懿與曹真一起攻打漢中。司空陳群上疏說，斜穀地勢險要，糧餉運輸艱難，不應采取曹真的建議。曹叡將此話轉告曹真，曹真請求從子午穀進兵，陳群又不讚成。曹真不等曹叡下令，立即動身。諸葛亮接到警報，領兵前往漢中，令軍隊分別駐紮在成固、赤阪，然後讓李嚴率兵兩萬，到漢中會師，令李嚴的兒子李豐為江州都督，接替李嚴。當時正值秋雨連綿，山穀水滿，曹真從長安出發，在途中逗留多日，一個多月了也沒能到達子午穀。魏國太尉華歆、少府楊阜、散騎常侍王肅等人接連請求班師，曹叡於是召回曹真。司馬懿向來乖刁，他以天降大雨為借口，按兵不動。諸葛亮派魏延西入羌中，招撫羌人。魏廷與魏國雍州刺史郭淮在陽溪交戰，魏延大獲全勝。
當時，蜀國長史張裔病死，諸葛亮提升蔣琬為長史。蔣琬，字公琰，祖籍湘鄉，曾跟隨劉備進入蜀地，被封為廣都長。蔣琬上任後，不理政務，劉備想將他誅殺。諸葛亮十分欣賞蔣琬的才能，代為求情，蔣琬才得以安然無恙。後主繼位，諸葛亮就舉薦蔣琬為參軍，擔任長史。諸葛亮每次出兵，都令蔣琬籌備糧餉。建興九年春天，諸葛亮再次起兵討伐魏國，進攻祁山。曹真當時已被提升為大司馬，由於抱病在床，不能領兵，於是調司馬懿屯兵長安。不久曹真去世，兒子曹爽襲封。司馬懿手握軍權，讓部將費曜、戴陵率領四千精兵防守上邽，自己偕同張郃等人去解救祁山。張郃請求分兵把守雍、郿二地，司馬懿認為兵力分散，容易被敵兵打敗，不肯聽從。諸葛亮聽說司馬懿親自前來支援，偏偏不去迎戰，隻留下王平攻打祁山，自己率領魏延、薑維等從小路攻打上邽。上邽守將費曜、戴陵倉皇出戰，哪裏是蜀兵的對手，四千人幾乎全軍覆滅，多虧雍州刺史郭淮領兵支援，才得以保住城池。自此以後，兩位大將閉城堅守。當時正值麥子成熟，諸葛亮令將士出去割麥，作為軍糧。郭淮等人不敢出戰，隻派人稟報司馬懿，催促他回來支援。司馬懿急忙調頭回來。
走到上邽城東，恰逢魏延、薑維率兵殺來，司馬懿立即下令軍中，隻許放箭，不許迎戰。魏延、薑維左右夾攻，都被魏兵射退，隻好收兵回營。司馬懿依靠險要的地勢堅守，任憑蜀國的將士如何叫戰，就是不肯出兵。諸葛亮領兵回到鹵城，司馬懿反而從後麵緊逼，在鹵城東邊紮營。諸葛亮派魏延、高翔、吳班等人分頭埋伏，自己前往司馬懿營中挑戰，司馬懿仍然不出戰，任憑蜀兵在營外百般辱罵，司馬懿始終置若罔聞。這下惹惱了大將張郃，他進帳對司馬懿說：“蜀兵遠道而來，知道不交戰對我軍有利，一定會設法圍困我們。如今不如與他決一死戰，如果打勝，他們自會退去，祁山也就解圍了。”司馬懿搖頭說：“諸葛亮的軍糧較少，堅持不了多久自會退兵。那時我們再去追擊，定能獲勝，何必急著交戰呢？”正在這時，有兩個人進來說：“蜀兵又來挑戰了！”司馬懿接口說：“讓他們挑戰吧，我偏偏按兵不動，看他有什麼妙計！”二人齊聲說：“人們都說你畏懼蜀兵，豈不可恥？況且我軍比蜀兵人多，難道就不能作戰嗎？”司馬懿被他一激，也有些忍耐不住，對二人說：“既然如此，傳令決戰。”二人得到命令，向各營通報。這二人叫賈栩、魏平，年少氣盛，接到命令之後，便摩拳擦掌，專等上陣殺敵。
過了兩天，司馬懿召集眾將：“要攻打蜀軍，必須兵分兩路，一路攻打鹵城，一路解救祁山。隻有讓他們來不及支援對方，我們才能成功。”張郃應聲說：“我願意去祁山。”司馬懿調撥一萬人，讓張郃帶領著去攻打祁山，自己率軍出去作戰。諸葛亮聽到司馬懿營中的鼓聲，便將妙計告訴魏延、高翔、吳班三員戰將，囑咐他們分頭行事，自己率領大軍出城，從容等待。過了一會兒，司馬懿領兵過來，諸葛亮令前軍用連臂弓擋住司馬懿。連臂弓是諸葛亮發明的，一次能接連射出十支箭，司馬懿的部隊雖然強悍，但也擋不住，士兵都被射倒。司馬懿的銳氣大挫後，蜀軍中響起號角，頓時有千軍萬馬向司馬懿猛撲過來，司馬懿忙率領眾人攔截。剛剛交鋒，又殺來一隊人馬，領頭的是蜀國大將高翔。司馬懿立即分兵抵擋，堅決不退。誰知身後喊聲大起，吳班率兵殺到。司馬懿頓時心驚，領兵退回。蜀兵三路兵馬一起追擊，司馬懿邊戰邊逃。逃到半路，又遇到一隊人馬，為首的一員大將大叫：“魏延在此！”嚇得司馬懿魂飛魄散，幾乎墜落馬下。幸虧驍將賈栩、魏平等人在司馬懿身邊保護，司馬懿才得以逃脫。這次交戰，蜀兵斬殺魏兵三千人，獲得鎧甲五千件，兵器不計其數。
司馬懿逃回營中後，堅守營寨，不敢再戰。張郃得知司馬懿戰敗，也立即退回，雙方又相持了一個月。魏國大將郭淮調集雍、涼精兵，打算從小路襲擊劍閣。諸葛亮得知後，派薑維、馬岱等人帶兵守住險要關口。長史楊儀上報說有八萬士兵，其中有四萬人按慣例應該更替，但是新兵還沒到，難以交接，隻得再等一個月，才能將這四萬人遣回。諸葛亮微笑著說：“我自領兵以來，從不曾失信。如今既然到了更替的時候，理應照例將他們遣回。應該回去的將士，想必已經整裝待發，他們家中的父母妻子都在盼望著，就算大敵當前，我也不能失信，讓他們如期回去吧。”楊儀將諸葛亮的命令傳出去，可軍中的老兵都不願意離開，希望繼續留在營中作戰。正在這時，李平派人到來，參軍狐忠、督軍成藩呈上李平的書信，請諸葛亮立即班師。諸葛亮不免驚疑，但轉念一想，李平為人老成，他如果要班師，其中必有原因，且李平正負責運輸糧草，糧草如果跟不上，也難以行軍打仗，諸葛亮於是決定退回。先派狐忠、成藩回去稟報，然後召集將士，將退兵的意思告他們，並且說如果魏兵追來，應當奮力抵抗。將士很想再戰，聽到班師的命令，都有些失望。諸葛亮又說：“你們肯努力殺敵，我還有什麼話說。但一味蠻打也不行，我們應當把敵兵誘到木門道，再全力圍攻，就算他們有千軍萬馬，也不能脫逃。”於是派人到祁山，囑咐老將王平乘夜部署，自己從鹵城出發，從容地返回漢中。