兩軍在上邦遭遇，郭淮、費曜所帶領的魏軍被攻，打得一敗塗地，蜀軍進而占了鹵城，諸葛亮親率諸將和三軍向隴上開進。諸葛亮用裝神之計和疑兵嚇得司馬懿三天不敢出城，趁勢命三萬精兵把隴上小麥割完，運到鹵城打曬去了。司馬懿後來知道了此事，長歎道：“孔明有神出鬼沒之機！”經與副都督郭淮議定，發兵兩路攻打在鹵城打曬麥子的蜀軍。魏軍乘夜來到鹵城下，把城圍得鐵桶一樣。司馬懿傳令攻城，豈知諸葛亮早有防備，城上萬弩齊發，矢石如雨，魏軍不敢前進，正在這時，四麵火光衝天，喊聲震天，四路伏兵一齊殺來。鹵城四門大開，城內蜀軍殺出，裏應外合，大殺了一陣，魏軍死傷無數。司馬懿引敗軍奮死殺出重圍，占領了一座山頭，郭淮也領著敗兵到山後紮營，堅守不出，與蜀軍遙遙相對，以期蜀軍糧盡後再去攻打。與此同時，一麵令郭淮去偷襲劍閣，切斷蜀軍糧道；一麵發檄文星夜往雍、涼兩州調撥人馬。豈知諸葛亮已先派重兵把守劍閣，郭淮見有準備隻好退兵。
這次北伐，諸葛亮采納了楊儀的建議：把北伐之兵與漢中之兵分作兩班，以百日為期交換使用。當時在諸葛亮身邊的八萬蜀軍中，有四萬是馬上要換班的，在這四萬蜀兵收兵準備啟程時，忽報西涼軍馬二十萬來助戰，司馬懿又引兵來攻鹵城，蜀兵無不驚駭。楊儀即計議把換班要去的四萬蜀軍留下退敵，待漢中兵到了，然後替換。諸葛亮聽了說：“不可。我任用命將，以信為本；既有令在先，豈可失信？士兵們都有父母妻子在家等著，我今天就是有危難，也決不留他們。”即傳令教應去之兵，當日便行。眾軍士聽了，都大呼說：“丞相如此施恩於我們，我們願意暫且不回，各舍一命，大殺魏軍，以報丞相！”到了此時，諸葛亮便說：“大家既要和我出戰，可以出城安營，等敵軍到時，不要等待他們有所準備，便急攻之，這就是以逸待勞之法也。”眾兵士領命出城，懷著必勝的信心列陣而待。
西涼人馬衝殺而來，人困馬乏，正準備安營歇息，忽被蜀軍一擁而進，人人奮勇，將銳兵猛，西涼兵抵敵不住，望後便退。蜀軍奮力追殺，殺得西涼兵屍橫遍野，血流成河，丟下許多軍械、武器、輜重狼狽逃走了。諸葛亮收了得勝之兵，回城賞勞。
這次北伐，連戰告捷，幾番重創魏軍，照此進行下去，能給魏軍更大的打擊，造成威震中原之勢。可是就在這時，由於後方負責給養的李嚴嚴重失職，致使糧草供應不上。李嚴為了掩蓋其錯誤，假傳後主旨意，說東吳有連魏犯蜀之舉，誑諸葛亮撤軍。諸葛亮雖然感到十分疑惑，可又沒有辦法，而且這時軍中糧草也接近用完，使蜀軍失去了消滅魏軍主力的大好時機，隻好忍痛再一次放棄了進攻中原的大好時機，帶兵撤回漢中。
魏國名將張郃聽說蜀軍撤退，不聽司馬懿勸阻，率領兵馬緊緊追來，追到劍閣木門穀中，忽一聲響，出上火光衝天，大石亂柴滾將下來，阻斷了魏軍的退路。一聲炮響，兩邊峭壁上萬弩齊發，這位因抗蜀而“名著關右”的魏國名將張郃及百餘部將，都被射死在木門道上。後邊魏軍追到時，見道路阻塞，知道張郃中計，忽聽山上有人大叫：“諸葛丞相在此！”隻見諸葛亮立於火光之中，對著魏兵說：“我今日圍獵，欲射一‘馬’誤傷‘獐’。你們可安心回去，上告仲達：早晚要被我所擒。”司馬懿聞報後，既暗自慶幸自己逃過大難，又傷痛歎息張郃之死，遂收兵回洛陽去了。
諸葛亮返回成都，嚴肅查辦了李嚴。上表後主，把這位不顧大局，出爾反爾，隻知安身求名，邀功取利的李嚴削職為民，流放邊郡。同時分明是非，不牽連別人，把很有才幹的李嚴的兒子李豐提升為中郎將，並寫信勉勵他好好幹。無怪後來李嚴聽到諸葛亮去世的消息，淚流不止，感慨至深，發病而死。
在處理了李嚴之後，諸葛亮感到連年征戰，兵疲糧虛，於是著手整頓內政，休士耕種，操練軍隊，把大量車糧屯集於斜穀口一帶，以解決好“糧穀軍之要最”，為更大規模的出師北伐準備了三年。
公元234年2月，諸葛亮率領十萬大軍殺奔斜穀口，第五次北伐曹魏的戰爭開始了。兵出斜穀後，他一麵指揮大軍向前推進，占據武功，紮營五丈原；一麵派使者前往東吳，約請孫權從東麵出兵向曹魏進發，以形成曹魏首尾不能相顧的局麵。
蜀魏兩軍在渭水南岸的五丈原築營對峙。司馬懿派鄭文詐降以圖劫營，諸葛亮將計就計，把魏軍打得一敗塗地。因此，司馬懿又故伎重施，堅守不戰，以使蜀軍糧絕，從中取利。諸葛亮深知其意，用木牛流馬搬運糧草，人不太勞累，非常方便。司馬懿得知後很是吃驚，即派兵去搶了幾匹，也如法炮製，趕造了兩千多匹，從隴西搬運糧草。諸葛亮見司馬懿中計，便派大將王平領兵去劫，打跑了運糧魏軍。當魏軍大隊人馬來爭奪時，王平按照諸葛亮吩咐，命軍士扭轉木牛流馬口內舌頭，棄之而去。魏軍得了木牛流馬，就是一點也趕不動，這時蜀軍伏兵殺來，魏軍大敗而退，蜀軍又奪回去了木牛流馬，扭轉機關，如風擁而去。魏軍遠遠望著，無不驚畏，不敢再來追趕。這樣，蜀軍輕易得了大量木牛流馬和糧草。