公元229年四月，吳王孫權正式即位稱帝。蜀漢大臣大多數認為孫權稱帝超越禮儀，是僭號（即冒用帝王稱號），要求跟東吳斷絕盟好關係。諸葛亮卻認為，蜀漢眼前主要對手是魏國。他堅持和東吳保持聯盟，繼續準備北伐。
建興十二年（公元234年），蜀軍經過三年的休整，各方麵都已準備充分，諸葛亮與東吳聯合開始第五次北伐。曹睿派司馬懿率大軍迎戰諸葛亮，自己率兵對付東吳的進攻。
諸葛亮與司馬懿率軍在五丈原交戰，司馬懿又吃了敗仗，退回營寨，堅守不出。蜀軍到他營前百般叫罵，司馬懿吸取了從前的教訓，充耳不聞，並命令眾將官，不許前去迎戰。諸葛亮為長遠打算，讓蜀兵在渭河南岸的土地上開荒種地，以充軍糧。兩軍就這樣相持了有三四月之久。
諸葛亮見司馬懿拒不出戰，便用一個盒子裝了婦人用的頭巾和衣服，並寫了一封信派人給司馬懿送去。司馬懿看了以後雖然心裏怒火燃燒，但他還是強製住自己，很隆重地招待了來使。為了從來使口中套得蜀軍的虛實，司馬懿假裝熱情地對來使說：“諸葛丞相每日忙於軍務，身體還好吧？”來使說：“丞相每日都早起晚睡，事事親為，近來他的胃口不好，隻吃很少的飯。”使者走後，司馬懿對他的手下說：“諸葛亮每日軍務繁忙。可吃飯休息都不好，我料他不能再活多久，我們隻要堅守營寨，蜀軍自會退去。”
不出司馬懿所料，由於過度地操勞，諸葛亮的身體確實越來越差了。這時又傳來一個壞消息，東吳攻魏的三路大軍，全都吃了敗仗，無力而退。諸葛亮長歎一聲，竟昏倒在地上，大家急忙把他扶起來，半晌才蘇醒過來，諸葛亮對身邊的人說：“我知道自己的病，恐怕活不了多久了。”他把薑維叫到身邊，把一本寫有他平生所學的書傳給了薑維，又上表給後主劉禪，告知近況。後主得知諸葛亮病危的消息後大驚，趕緊派李福前往五丈原慰問。諸葛亮見了李福對他說：“我辜負了先帝托孤的重任，即將不久於人世了。我死之後，你們要盡心盡力地輔佐皇上，國家的法製不能更改，我所推薦的官員也不能輕易廢掉，我已經寫好了遺表，請轉交給聖上。”李福拿了遺表急忙趕了回去。
諸葛亮又強支病體吩咐手下將士：“我死之後，不要發喪，以防司馬懿乘機攻打。大軍慢慢撤回，如若司馬懿來追，你們可以把我的木像推到軍前，列好陣勢準備與他作戰，司馬懿見後必會驚走。”諸葛亮又一一布置了身後諸事，便不省人事。這時李福又匆匆趕來，他看到昏迷中的諸葛亮，哭道：“皇上命我請問丞相百年後，誰能擔當大事，可我來晚了一步呀。”過了一會諸葛亮醒了過來，他看到李福，用十分微弱的聲音說：“我知道你的來意，我死之後可由蔣琬來擔任大事。”李福又問：“那蔣琬之後誰來繼任呢？”諸葛亮勉強說出“蔣琬”兩個字。李福再問道：“之後呢？”卻沒聽到諸葛亮的回答，大家靠前一看，這位令人敬仰的諸葛丞相已經永遠離開了他們。