蜀漢建興十二年（234年）春二月，諸葛亮以木牛流馬轉運糧草，親率十萬大軍兵出斜谷，發動了第五次北伐曹魏的戰爭。這次出兵，他還派人出使東吳，約孫權發兵攻擊合肥，以東、西配合，以期「同時大舉」。

蜀軍經艱苦跋涉行軍，終于安全的走出斜谷北峪口，先鋒部隊已經迅速占領武功以東地區。魏國派太師、大將軍司馬懿統領大軍，前來抵御。

司馬懿乘連日大雨，河水猛漲、蜀軍難以增援之機，派上萬驍騎攻擊由虎步監孟琰率領的蜀軍先頭部隊營地。

諸葛亮一面令孟琰拼命堅守，一面命軍士加緊架設竹橋準備渡河支援。

孟琰據險堅守，魏軍的進攻不能得手，又見蜀軍主力架設的竹橋即將完工，不得已撤軍回返。于是蜀國大軍于這年四月浩浩蕩蕩進入秦川，駐扎在渭河以南的五丈原。

蜀軍主力屯駐在五丈原后，諸葛亮派魏延為先鋒，率前軍出大營十里處駐扎。此時，司馬懿早已率大軍渡過渭水，也在渭濱南原背水駐營。蜀軍此時如能渡過渭水，登上河北岸建營，就能阻斷通往隴西的要道，戰況就會極度有利于蜀軍。但魏將郭淮早已預料到了這一點，因此事先做了防備。

郭淮料定諸葛亮占據五丈原后，必須要爭奪北原，以打通北渡渭水的便捷通道，因此他建議司馬懿派軍據守北原，司馬懿深以為然，派郭淮搶先占據北原。魏軍到北原后，正在修筑營壘，蜀軍果然大舉來攻，郭淮率軍奮力抗擊，蜀軍屢攻不克，只得退回五丈原。

幾天后，蜀軍大量往西而去，似乎要進攻魏軍的西線防地。司馬懿和郭淮不約而同斷定這是諸葛亮的聲西擊東之計，真實目的是要攻取東邊的陽遂，于是在陽遂部署重兵防守。

蜀軍果然夜襲陽遂，但魏軍早有準備，和蜀軍鏖戰于積石，諸葛亮不能取勝，只得再次退守五丈原。

魏、蜀兩軍在渭濱屯兵相持、對峙。諸葛亮求戰心切，屢派部將向魏軍挑釁，可是老謀深算的司馬懿嚴令部下只許堅守，不許出戰。魏軍堅守不出，蜀軍無隙可乘，無法找到戰機。

諸葛亮為了激怒司馬懿，引誘他出戰，派人給司馬懿送去一套女人的服飾，還寫了封信給他。信中大意是，如果司馬懿甘愿像婦女那樣膽怯怕事，就請收下這套裙服吧；不然就擺開陣勢，列隊廝誅，決一歿戰。

諸葛亮為了惹怒司馬懿出戰，也是絞盡腦汁。魏軍將領見諸葛亮如此戲辱他們，都怒不可遏，紛紛要求出擊蜀軍，教訓教訓他們。

司馬懿卻不表態，同時為了平息部下的憤怒與不滿，他假意上書魏明帝「請戰」。魏明帝曹叡對司馬懿的本意心領神會。于是特地派衛尉辛毗持節杖來到司馬懿大營，命他堅守大營，不得出戰。

諸葛亮深知司馬懿會長期據守，不會輕易出戰，于是也調整了戰術。

他分出一部分兵力就地屯田。他知道魏軍長期對峙，是為了拖疲、拖垮遠道而來的蜀軍，讓蜀軍的糧草難以為繼，到那時蜀軍必不戰自退。諸葛亮分兵屯田，秋收后就能就地解決很大一部分的軍糧了。解決了軍糧難題，蜀軍再也不怕與魏軍對峙、相持，開始養精蓄銳，訓練士卒，等待最佳戰績。

五月，吳主孫權親自統帥十萬大軍從巢湖口進攻合肥，又派大將陸遜、孫韶各帶一萬兵馬向襄陽、淮陰進擊。

魏明帝聞警親自率軍東征。 魏軍抵抗堅決，三路吳軍皆進展不利，將士患病的很多，只得于七月怏怏退回江東。三路吳軍被擊退的消息傳到西線，司馬懿更增強了戰勝諸葛亮的信心。他一如既往，歿守不出，靜觀其變。

這期間，諸葛亮不斷派人向司馬懿下戰書，要求約期會戰。司馬懿始終堅持避免主力決戰的策略，對其置之不理，不予答復。

蜀軍來使每次送戰書，司馬懿都絕口不提戰事，只是以關切的口吻向使者詢問諸葛亮的飲食起居以及日常處理軍政事務的簡繁。使者答：「諸葛公躬夙興夜寐，日理萬機，處罰二十軍棍以上的文件，都要親自審閱；每天吃飯不過幾盅（ㄐ丨ㄡˇ杯，茶杯，形容量少）」。

狡黠的司馬懿立即從來使稱贊諸葛亮廢寢忘食工作的話中嗅到了重要信息。使者走后，司馬懿對左右說：「諸葛亮食少事繁，身體已經疲憊不堪、瀕于崩潰了，他必將不久于人世了」。

果然不出司馬懿所料，八月，積勞成疾的諸葛亮病倒了，而且病情日漸惡化， 臥床不起了。

建興十二年（234年）八月二十八日，諸葛亮病逝于五丈原，年54歲。

諸葛亮歿后，楊儀、姜維等人按他臨終前的部署，聚攏兵馬，緩緩向漢中后撤。司馬懿探聽到蜀軍撤退的情況，迅速率大軍急追。

蜀軍見魏軍大舉追來，步步緊逼，便調轉戰旗，擂起戰鼓，擺出一副回師沖誅的陣勢，司馬懿擔心中了諸葛亮的圈套，遭其暗算，不敢列隊迎戰，忙下令全軍回撤。

楊儀、姜維見魏軍退走，煙塵漸消，這才整好隊伍，后隊變前隊，從容率大軍撤到了斜谷道口。待司馬懿得知諸葛亮已歿的消息后再次下令追趕時，見蜀軍已在道上灑滿了鐵蒺藜，人馬都無法通過，而蜀軍早已走遠了......見諸葛亮歿后還能捉弄自己，司馬懿自嘲道：我能料到活的，怎能料到歿的呢。