曹叡對他的看法深以為然，再次命司馬懿屯兵宛城備戰。
八月，大司馬曹休不依計劃，逕下皖城深入敵境接應詐降的吳將周魴，
在石亭被陸遜伏擊，大敗，曹休病死。
太和三年（229年），蜀相諸葛亮第三次出兵攻魏，
並占據武都（今甘肅省隴南市武都區）、陰平（今甘肅省文縣）二郡。
太和四年（230年），魏明帝曹叡決定興師伐蜀。
升司馬懿任大將軍、加大都督、假黃鉞，與大司馬曹真一起伐蜀。
八月，魏明帝命曹真率主力由長安入子午穀，左將軍張合出斜穀，
司馬懿自荊州溯漢水出西城，將兵分三路會攻漢中。
司馬懿從西城開拓道路，水陸並進，沿著沔水逆流而上，
直達朐忍，攻克新豐縣，駐軍丹口，後遇大雨班師。
太和五年（231年）二月，諸葛亮率軍第四次北伐魏國，
包圍祁山賈嗣、魏平部，並以木牛流馬運輸糧草，曹叡派司馬懿西駐長安防禦蜀軍。
司馬懿留部將費曜、戴陵率4000人守邽，自率主力西救祁山。
張合勸司馬懿分兵駐紮雍、郿兩地，以作大軍後鎮，司馬懿不同意。
進軍隃麋。後來，雙方爆發了鹵城之戰。
此次戰役的結果，不同的史書有不同記載。
在《晉書·宣帝紀》中，司馬懿大勝蜀軍；但在《漢晉春秋》中，諸葛亮力挫魏軍。
另外，在《三國誌·張合傳》中，沒有司馬懿督張合，
也沒有寫出張合追擊的原因，“詔合督諸將西至略陽，亮還保祁山，合追至木門，
與亮軍交戰，飛矢中合右膝，薨。”；
而在《魏略》中則記載是司馬懿不聽張合的勸阻，
強行命令張合追擊，“宣王（司馬懿）使合追之，
合曰“軍法，圍城必開出路，歸軍勿追。”宣王不聽。
合不得已，遂進。
蜀軍乘高布伏，弓弩亂發，矢中合髀。”曆史真相究竟如何，尚不能下定論。
青龍元年（233年），安定保塞匈奴大人胡薄居姿職等叛，
司馬懿派遣胡遵等追討並破降。蜀軍退軍後，軍師杜襲、
督軍薛悌都預計諸葛亮第二年麥熟時還會入侵，建議趁冬天調運糧草，
解決隴右糧少問題。司馬懿認為“諸葛亮兩次出祁山，一次攻陳倉，都受挫而返。
即使以後他還會出兵，將不再攻城，而是尋求野戰，地點必在隴東，而不會在西側。
諸葛亮常以糧少為恨，回去後必然廣積糧草，
我估計沒有三年的積蓄，諸葛亮是不會貿然出兵北伐的。”
青龍二年（234年）二月，蜀相諸葛亮率軍十萬出斜穀伐魏。
四月，諸葛亮至郿縣（今陝西省寶雞市），進駐渭水之南。
司馬懿率軍渡渭水，背水築壘阻擊。諸將想在渭北與諸葛亮隔水相持，
司馬懿說“百姓積聚的糧秣財物都在渭南，這是必爭之地。”遂渡渭水背水紮營。
當時，司馬懿屯兵渭南，郭淮估計諸葛亮一定會爭奪北原，
主張先去占領北原，郭淮說“如果諸葛亮跨過渭水登上北原，
就可以連兵北山，斷絕隴道，震懾我朝臣民和胡人，此乃國家安危之大患。”
很多人不以為然，但司馬懿認為如此，讓郭淮屯兵北原。
不久，諸葛亮率大軍西行，諸將都認為諸葛亮想攻西圍。郭淮則認為，
諸葛亮虛張聲勢是要讓魏軍大舉回應，而他的目標是陽遂。
夜裡，蜀軍果然進攻陽遂，因城中早有防備，諸葛亮沒能成功。
五月，十萬吳軍攻魏，配合蜀軍作戰，被滿寵所拒。
七月，魏明帝曹叡率兵親征，吳軍撤兵。群臣認為司馬懿正還在西邊和諸葛亮重兵對峙，
車駕可西幸長安，魏明帝則說“孫權大軍已經撤回，諸葛亮孤軍無援、
難成氣候，大將軍司馬懿足以抵擋，我沒有什麼憂慮了。”
諸葛亮東進的道路受阻於司馬懿，從渭水前進，又有郭淮阻擋，
於是移軍攻取大散關、隴城等地，回師進攻司馬懿。
八月，司馬懿以“堅壁拒守，以逸待勞”的指示，與諸葛亮相持百餘日。
諸葛亮數次挑戰，司馬懿均堅壁不出，以待其變。
諸葛亮便派人給司馬懿送去婦人的服裝，欲激司馬懿出戰，司馬懿仍不出戰。
為平息部屬不滿情緒，司馬懿故意裝怒，上表請戰。
曹叡不許，並派骨鯁之臣辛毗[pi]杖節來做司馬懿的軍師，以節製他的行動。
諸葛亮一來挑戰，司馬懿就要帶兵出擊，辛毗杖節立於軍門，司馬懿便不出兵。
蜀將薑維就對諸葛亮說“辛毗杖節而至，司馬懿不會出戰了。”
諸葛亮則說“彼本無戰情，所以固請戰者，以示武於其眾耳。
將在軍，君命有所不受，苟能製吾，豈千裡而請戰邪！”
諸葛亮遂分兵屯田，做長久屯駐之準備。司馬懿的三弟司馬孚也來信問前線軍情，
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司馬懿回信說“亮誌大而不見機，多謀而少決，好兵而無權，
雖提卒十萬，已墮吾畫中，破之必矣。”
不久，諸葛亮遣使求戰，司馬懿不談軍事，問使者“諸葛公起居飲食如何，
一頓能吃多少米？”使者說“三四升。”
然後對問政事，使者說“打二十軍棍以上的處罰，都是諸葛公自己閱批。”
經過一番不經意的詢問，司馬懿對人說“諸葛亮將要死了。”
果然，諸葛亮於當月病故於五丈原軍中。
蜀將秘不發喪，整軍後退。當地百姓跑來報告，司馬懿派兵追擊，
蜀將楊儀返旗鳴鼓，做出回擊的樣子，司馬懿以‘窮寇莫追’收軍退回。
當時有人傳“死諸葛走生仲達”，司馬懿聽到笑說
“這是因為我長於預測活人的事，不長於預測人的生死啊。”
第二天，司馬懿到諸葛亮營壘巡視，並讚諸葛亮“天下奇才也”。
青龍二年（234年）八月，諸葛亮病故於五丈原（寶雞岐山境內），
享年五十四歲。曆時七年的諸葛亮北伐至此結束。蜀漢將領楊儀、