孔明回到成都，用李嚴的兒子李豐為長史，積草屯糧，養息將士。不覺三年已過，到了建興十一年二月，孔明見兵精糧足，奏請再次北伐。劉禪滿足於一時的太平，不想讓孔明出兵。孔明堅持出兵。太史譙周說：“近來成都屢次出現災異，魏國旺氣正盛，不利伐魏。丞相隻可防守，不可輕舉妄動。”孔明不聽，連夜趕到漢中，與眾將商議出師事宜。忽有人報，關興病亡。孔明哭昏在地，半晌才醒，歎道：“可憐忠義之人，天不給他壽命！這次出師又少一員大將！”他讓薑維、魏延為先鋒，三十四萬蜀軍兵分五路，到祁山會師，李恢運送糧草到斜穀等候。
魏國因去年有青龍從摩坡井中飛出，改元青龍。魏主得知孔明再出祁山，召來司馬懿商量對策。司馬懿說：“臣夜觀天象，中原旺氣正盛，孔明逆天而行，是自取敗亡。臣願前往破敵，保夏侯淵的四個兒子同行。”夏侯淵的四個兒子，長子名霸，次子名威，三子名惠，四子名和。霸、威二人弓馬嫻熟；惠、和二人飽讀兵書。四人經常聲稱要為父報仇，他就保霸、威為先鋒，惠、和為行軍司馬。魏主拜司馬懿為大都督，各處將士都聽他調度。司馬懿來到長安，調來四十萬人馬，都到渭濱下寨。又派五萬人在渭水上搭了九座浮橋，讓夏侯霸、夏侯威過河安營。郭淮、孫禮來到，司馬懿讓他們在北原下寨，深溝高壘，按兵不動。孔明再到祁山，下了五座大寨，自斜穀到劍閣，又下十四座寨，分屯軍馬，為長久計。他得知郭淮在北原下寨，就分派眾將明攻北原，暗燒浮橋，要一舉消滅渡河的魏軍先鋒。司馬懿得知，定計反擊，殺得蜀軍大敗，吳班中箭落水而死。孔明正無計可施，費禕從成都來到，於是就讓他出使東吳，請孫權發兵。他持孔明的書信趕到建業，呈交給孫權。孫權見孔明許他共取中原，平分天下，就計劃調動三路大軍，分取新城、襄陽、淮陽。孫權問：“孔明用誰為先鋒？”費禕答：“魏延”。他告誡說：“此人心術不正，一旦孔明不在，必然會成為禍患。”費禕回到祁山，先說了孫權已答應出兵的事情，隨後又說了孫權對魏延的看法。孔明說：“我知道此人，但他還有利用的價值。以後的事我自有安排。”孔明送走費禕，魏軍偏將鄭文來降，他自稱與秦朗同領人馬，司馬懿讓秦朗為前將軍，卻不加他的官職，他非常氣憤，所以來投丞相。正說著，小軍報秦朗單挑鄭文出戰。孔明讓鄭文出馬，二人交戰隻一回合，鄭文就一刀劈死了秦朗。待他回營，孔明喝令左右把他綁去斬了。鄭文大叫：“小將無罪！”孔明說：“我認識秦朗，你殺的是秦朗的弟弟秦明。司馬懿派你來詐降，若不實說，立即斬首。”鄭文隻好說出實話。孔明讓他寫下書信，讓司馬懿夜間來劫寨，這樣就可立功贖罪，而且還能得到重用。鄭文寫完書信，孔明下令先把他押起來。孔明挑選一名有口才的軍士，吩咐一番，派往魏營送信。司馬懿看了書信，又仔細盤問了軍士，軍士對答如流。司馬懿就讓他回去告訴鄭文，今天二更劫寨，舉火為號。軍士回去告訴孔明，孔明就仗劍作法，然後吩咐諸將依計行事，他自帶數十人，坐在山上，指揮眾軍。
司馬懿本想帶著兩個兒子親自劫寨，司馬師怕萬一出意外，提議還是派別人當先，司馬懿在後接應。司馬懿就讓秦朗領一萬兵劫寨，他領兵接應。當夜二更時分，突然陰雲密布，對麵不見人。司馬懿高興萬分，命人長驅直入。秦朗衝進蜀寨，不見一人，忙叫退兵，王平、張嶷、馬岱、馬忠領兩路兵殺來。司馬懿見蜀營火光衝天，隻顧催兵接應，忽聽炮聲連天，魏延、薑維從左右殺來。魏兵大敗，四散奔逃，秦朗和他所帶的一萬兵都被消滅，司馬懿逃回了本寨。三更過後，天色放晴，方才陰雲遮天原來是孔明作遁甲之法。孔明回寨，把鄭文斬了。孔明乘車察看地形，見一個山穀，形如葫蘆，問向導：“這是什麼穀？”向導說：“這叫上方穀，又叫葫蘆穀。”孔明回寨，吩咐裨將胡忠如此這般。命令隨軍匠人到穀中製造木牛流馬，派馬岱領兵防守，不準任何人擅入。胡忠就在穀中監督匠人，依法製造。一天，楊儀來報：“糧米都運到劍閣，道路不好，搬運不便，怎麼辦？”孔明說：“我已造下木牛流馬，搬運糧食，非常便利。牛馬又不吃草飲水，可晝夜不停運輸。”過了幾天，造好的牛馬，上山下嶺，非常靈便，眾軍都歡喜異常。孔明就命高翔領一千軍駕著木牛流馬，從劍閣往祁山大寨運糧。司馬懿得知蜀軍用木牛流馬運糧，就派張虎、樂琳各領五百兵，裝扮蜀兵，搶上三五匹就回來。二人於夜間抄小路埋伏好，就見高翔領兵驅趕木牛流馬過來。待快要過完，伏兵殺出，蜀兵扔下幾匹就逃。張虎、樂琳搶回本寨，司馬懿見牛馬進退自如，就像活的一樣，高興萬分，召來能工巧匠，命他們按尺寸仿造。不到半月，就造出兩千多匹，和孔明造的一樣，也會奔走。他讓鎮遠將軍岑威，帶一千軍士驅趕木牛流馬去隴西運糧。高翔報告孔明，魏兵搶走五六匹牛馬。孔明說：“我就是要他搶。他搶去後必然要仿造，那時再看我的計策。”過了不幾天，探子報魏軍仿造出木牛流馬，去隴西運糧了。孔明吩咐王平領一千兵，扮作魏軍，如此行事；派張嶷領五百軍，扮作六丁六甲神兵，如此行事；派薑維、魏延各領一萬兵，去北原接應；派馬忠、馬岱領二千兵去渭南挑戰。岑威領軍驅趕木牛流馬，從隴西運來糧食，見迎麵過來一支巡邏隊，也沒在意。待到兩支隊伍在路上相錯，突聽一聲大喊，蜀兵衝殺過來，魏兵當時被殺了大半，岑威被王平一刀斬了。王平就命部下驅牛馬奔蜀寨。郭淮得報，急忙領兵來救，王平讓士兵把牛馬舌頭一扭，扔下就跑。郭淮帶士兵驅趕牛馬，牛馬一動不動。正無計可施，魏延、薑維各領兵殺來，王平也扭頭殺回，郭淮大敗。王平讓士兵把牛馬舌頭扭回，趕上就走。郭淮看見，想領兵再追，隻見山後煙雲突起，擁出一隊神兵，擁上木牛流馬，如飛而去。司馬懿聽說北原兵敗，忙領兵來救，一聲炮響，張翼、廖化領兵殺出，魏兵四處逃散，司馬懿單槍匹馬，朝林中逃去。廖化緊緊趕來，司馬懿繞樹而跑。廖化一刀砍在樹上，拔出刀來，見司馬懿的金盔在東麵，就拾起金盔望東追去。誰知司馬懿早已向西逃遠了。王平早已回寨，繳獲糧食萬餘石。司馬懿回寨，心中正煩悶，聖旨來到，說是東吳入侵，朝廷正在商議退敵，讓他深溝高壘，堅守不戰。