蜀漢建興十二年（234）2月初，發生了太白侵熒惑的天象。
太白是金星，也被視為天神；熒惑是火星，也被視為戰神。金星追趕上火星，是少有的天象。身在洛陽的魏明帝讓人占卜，報告說今年將有一場大戰。
蜀軍就是在這時發動的第五次北伐，之前的四次北伐，兩次西出祁山，一次出武都、陰平，一次出大散關，用兵的重點基本都在西邊，以奪取隴右為目標，這個戰略有一定的正確性，但也有明顯的缺點，那就是魏軍如果一味採取避戰的辦法拖著不打，你也沒有太好的辦法。所以諸葛亮改變了策略，這次北伐兵出秦嶺山中的褒斜道，以最快的速度把主力拉到關中，尋找魏軍主力，讓其不得不決戰。
但這個想法也被司馬懿想到了，第四次北伐結束時有些謀士和將領認為等到第二年麥子成熟時諸葛亮還會再次來攻隴右，司馬懿不同意這個判斷，他認為：“諸葛亮兩次出祁山，一次攻陳倉，都遭遇挫折而撤軍。即使後面再出兵，他也不會攻城，而會謀求野戰，而且地點是隴東而不是隴西。諸葛亮每次都恨其糧食太少，這次退兵，必然會積蓄糧食，我料定他不到糧食成熟，收足三季，不會再出兵。”
事實完全如司馬懿所料，包括蜀軍進攻的時間和路線，當然這也可能是史家故意美飾司馬懿。不過，司馬懿坐鎮長安以來也沒閒著，為了防備蜀軍的進攻他也做了不少工作，比如奏請魏明帝同意，從冀州等地遷徙了大量人口補充關中和隴右，又整修了關中的成國渠，修築長了晉陂，大力發展關中地區的農業，不斷積蓄力量。
諸葛亮命征西大將軍魏延為前部，其餘各部隨後，蜀軍總兵力仍然在10萬人左右。對54歲的諸葛亮來說，這一次北伐也幾乎窮盡了他個人的全部力量，他甚至有了一些不好的預感，所以在行前上表後主，破天荒地交代了一些後事：“如果臣出現了不幸，國家大事請托付給蔣琬。”諸葛亮曾對後主表示過，他將為蜀漢的大業戰鬥到最後一息，也許他對自己越來越差的身體狀況感到了擔憂，所以才有這樣不同尋常的舉動。
西線戰場的緊急軍情也立即傳到了洛陽，面對三大戰場同時受敵，魏明帝感到了空前的壓力，他深知西線戰場儘管形勢最緊張，但有司馬懿在那裡可以完全放心，倒是孫權本人來攻的東線戰場讓他放心不下。滿寵向魏明帝提出了一個大膽的作戰計劃，想放棄合肥，讓敵人縱兵來攻，待魏軍增援部隊趕到時向其發起總攻，這個計劃過於大膽，一旦失手後果很可怕，魏明帝沒有批准。
魏明帝決定親征合肥，大軍未到前派出一支人馬急行合肥，命他們多帶旌旗，四處擂鼓，故意製造聲勢。儘管剩下的兵馬已經不富裕了，魏明帝仍抽出2萬人，由驍騎將軍秦朗率領增援關中，歸司馬懿調度。
秦朗字元明，小名阿蘇，他的父親是呂布手下的將領秦宜祿，之前說過，秦宜祿死後，曹操見他的妻子杜氏長得很漂亮，就收為妾，秦朗於是隨母親來到曹家，與何晏一樣成為曹操的繼子，算起來是魏明帝的叔父。
魏明帝曹叡幼時藏於深宮，因為母親失寵又被殺，所以從小嘗盡人生冷暖，性格上與其祖其父很不相同，反倒與這個過繼給曹家的叔父很能談得來。秦朗本是一個公子哥，沒什麼實際才能，也不像何晏那樣成為一個大學者，但魏明帝仍然給他以寵信，每次呼他都叫他“阿蘇”。
魏明帝改任秦朗為征蜀護軍，所部受司馬懿節制。秦朗還帶來了魏明帝的諭示，魏明帝認為蜀軍屬於遠途作戰，他們必然希望速戰速決，所以讓司馬懿不要急於求戰，堅守營壘，以挫其鋒，如果敵人不得進，停留太久糧食就會吃完，必然會撤退，等他撤退的時候追擊，是全勝之道。
司馬懿聽了很高興，因為這也正是他對付蜀軍的一貫思想，他也認為拖是最好的辦法，上次在祁山他已經試過蜀軍的戰鬥力，他發現這支部隊人數雖然處下風，騎兵的比重也不多，但訓練相當有素，野戰經驗十分豐富，能攻能守，交起手來一定會吃大虧。
司馬懿完全不擔心拖不過蜀軍，諸葛亮雖然在漢中進行了大量準備，但這兩年他在關中也沒閒著，經過長時間的備戰，尤其是大修水利工程，已積蓄下足夠吃的糧食，即使不從關內調糧，也足夠了。
這時，諸葛亮已率領蜀漢大軍出了褒斜道進入關中，在褒斜道的北谷口紮下大營，魏延率一部人馬在十多里外另紮下一座營壘。
此地屬曹魏雍州刺史部扶風郡的郿縣，馬超、法正、孟達都是扶風郡人。諸葛亮沒有指揮人馬去攻打郿縣的縣城，因為當年董卓被封為郿侯，在此修築了著名的郿塢，城池異常高大，裡面可以儲存無數的糧食，想必不會比陳倉更好打。
蜀軍紮營的地方是渭河的南原，此處雖然也屬關中平原，卻是其最東端，平原並不開闊，中間是渭河，南面是突起的秦嶺，北邊是北原台地，南北可以相望。
司馬懿率郭淮、胡遵、周當等部隨後也趕到了，他們在渭河的北岸紮下營壘，與蜀軍隔河對峙。雍州刺史郭淮認為諸葛亮必然會去爭奪北原，應當先佔據，但其他人都不同意他的看法，認為諸葛亮攻擊的重點是郿縣縣城，之後是長安，所以防禦的重點應該放到東面。
郭淮仍堅持自己的看法，他認為：“如果諸葛亮渡過渭河佔有北原，就會在北山地區連成一片，從而斷絕關中與隴中的通道，使漢夷各族震動，使我方處於不利的地位。”司馬懿認為郭淮的話有道理，就命他率所部進屯北原。郭淮立即率軍趕到北原，並馬上開挖壕塹，沒等挖好，蜀軍的一支人馬就趕到了，由於有先到之利，郭淮指揮魏軍將蜀軍擊退。
諸葛亮確實看到了北原的重要性，無奈被郭淮搶先了一步，於是他改變策略，讓一部分蜀軍向西面佯動，繼續做出大舉西進的姿態，而其實想奪取的，是戰略要地陽遂。
陽遂這個地名已失考，“遂”通“燧”，可能是魏軍設在渭河沿線的一處重要營壘，位置應在蜀漢大營的東面。魏將普遍認為，諸葛亮攻擊的目標是西圍，這個地名也無考，之前諸葛亮第四次出祁山，曾分兵王平讓他佔據南圍，它們意思也許不是固定的地名，是以方位劃分的營壘名稱，相當於魏軍的西大營。
郭淮又不同意這種判斷，他的理由是蜀軍突然製造聲勢說要向西面攻擊，這有些不合常理，可能是佯動，敵人的目標不在西面而是東面，具體說就是陽遂。郭淮的建議再次得到司馬懿的支持，於是命郭淮和胡遵率兵趕赴陽遂。蜀兵果然來攻，由於魏軍早有準備，攻擊無法得手，退去。
初戰看起來並不順利，諸葛亮決定既不往西，也不往東，乾脆就地屯兵，他看好了一個屯兵的好地方，就是渭河南岸的五丈原。
“原”通“塬”，是西北黃土高原地區因流水沖刷而形成的一種地貌，一般呈台狀，四周陡峭，頂上平坦，這種地勢適合於紮營，因為四面不是深溝就是峭壁，利於防守。不過在這樣的地方紮營，必須解決好水源問題，一旦斷水，後果不堪設想。
五丈原就是一塊高出周邊的台地，當時屬郿縣以東的武功縣，如今屬陝西省寶雞市岐山縣，現在它的具體位置在岐山縣城以南20公里處，背倚秦嶺大山，面前是渭河。諸葛亮之所以選擇這裡紮營，不僅因為其南北皆有阻隔，利於防守，而且這個地方東西也有深溝，是天然形成的壕塹。當地人傳說，當年秦二世胡亥某年的秋初西巡，在此看到一股旋風刮起五丈高，形成奇觀，揮筆寫下“五丈秋風原”，此地因而得名。
在渭河北岸的司馬懿完全可以用目視的方法看著蜀軍主力上了五丈原，那一刻他似乎鬆了一口氣，他對部下說：“諸葛亮如果真的厲害就會出武功，沿著南山向東攻擊，如果上了五丈原，那就沒什麼可憂慮的了！”
蜀軍主力退守五丈原，司馬懿決定將魏軍主力趁勢推進至渭水南岸，這讓眾將有些吃驚。按照大家的看法，既然拖著不打更為有利，那麼待在渭水北岸豈不更好？渭水可以作為屏障，如果蜀軍來攻，正好沿渭水展開阻擊；如果蜀軍不來攻，那就這麼耗下去。
司馬懿解釋了攻擊渭水南岸的理由：“這一帶的百姓都在渭水南岸聚居，這是非爭不可的。”
原來，渭水行進到這一段，不是從南原與北原正中間走過的，而是偏向北原，讓渭水南岸一帶擁有了大片耕田，人們也習慣於在南岸居住，從陳倉至郿縣幾乎都如此，如果不過河，讓蜀軍放手去一一佔領這些地區，那蜀軍的糧食就會得到大量補充。
三國時的陳倉，往東是郿縣、武功。五丈原背倚大山，俯瞰腳下、虎視左右，確實不易進攻，其視野之內的確有大片的農田。
也許這就是諸葛亮據守五丈原的真實用意，他仍然堅持“穩紮穩打”的策略，以五丈原為戰略支點，不急於向東攻擊，而是先佔領陳倉到武功這一線的大片地區，好與魏軍長期相持。
司馬懿看到了這一點，所以堅持讓魏軍主力渡過渭水。渡河後，魏軍在五丈原附近紮下營壘，司馬懿命部將周當率一部人馬駐紮在陽遂附近，本意是想把這作為誘餌，待蜀軍來攻時從後面包抄，但蜀軍沒有任何行動。
渭水在此有一條支流叫武功水，諸葛亮命步兵監孟琰駐紮在武功水以東，司馬懿派人進攻孟琰，諸葛亮命人在武功水上搭建竹製浮橋，過河射殺魏軍。魏軍一時無法得逞，諸葛亮乾脆在五丈原附近搞起了分兵屯田，做長駐的打算。蜀漢的屯田兵和渭水岸邊的百姓雜居在一起，大家相處得很好，百姓樂於接受，蜀軍也軍紀嚴明，後世對此評價很高。
諸葛亮用盡了各種辦法引司馬懿來戰，但渡過渭水後的魏軍始終避而不戰。諸葛亮多次派人到司馬懿那裡下戰書，還送給司馬懿一些女人的服飾以激怒司馬懿，司馬懿把衣服收下，既不生氣也不出戰。
魏軍將領卻沒有這麼好的脾氣，紛紛請戰。開始還好辦，時間一長司馬懿也有了壓力，他於是鄭重其事地給魏明帝寫了一封請戰書，言之激昂，請求出戰，為表示鄭重，司馬懿特意讓手下的主要將領們一一署上名。魏明帝當然明白司馬懿的用意，知道司馬懿快扛不住了，到他這裡搬救兵來了，於是派衛尉辛毗為特使前往軍前，名為慰問，其實是阻止眾將的請戰行為。
辛毗是曹魏老臣，被稱為骨鯁之臣，事曹氏父子三代，以耿直著稱，一旦認定的事就會堅持，誰的面子都不給，曹叡命辛毗兼任司馬懿的大將軍軍師，持節，前往關中前線。蜀軍又來挑戰，司馬懿頂不住壓力，表示要出營迎戰，辛毗拿出魏明帝賜給的節，立於營前，魏軍不能出。
姜維回來把這件事告訴了諸葛亮，憂慮地說：“辛毗一來，魏軍不會再出來交戰了。”司馬懿的把戲瞞不過諸葛亮，他對姜維說：“司馬懿本來就不想出戰，之所以再三向上面請戰，是做給下面的人看的。為將的，率大軍在外，君命有所不受，如果他有辦法對付我們，用得著向千里之外請戰嗎？”
這段相持的時間長達幾個月，在此期間雙方也有一些往來。
司馬懿每次視察軍陣都相當隆重，必然穿戴全副武裝，他沒見過諸葛亮，不知道諸葛亮平時穿什麼，就派人出去看，有人報告說諸葛亮坐著一個簡單的小車，頭戴葛巾，手裡拿著羽毛扇指揮三軍，蜀軍隨他的號令整齊進退，司馬懿聽完，感歎道：“諸葛先生真有名士風采啊！”
有一次，司馬懿會見諸葛亮派來的使者，不問軍中大事，只問諸葛亮的日常生活，問得很詳細。在兩國交戰期間主帥的一切都是軍事機密，包括健康情況、生活規律、個人嗜好等，從這些蛛絲馬跡中可以推測出對方很多有用的信息來，從這一點看司馬懿挺賊。蜀國的使者顯然警惕性不高，對司馬懿有問必答：“諸葛丞相日夜操勞，睡覺很少，軍中二十杖以上的處罰他都親自過問，飯量也小，每天不過數升。”蜀漢使者走後，司馬懿對大家說：“諸葛亮的身體狀況很差，堅持不了太久。”
諸葛亮的身體狀況確實很糟糕。
長年的操勞，正可以用“積勞成疾”來形容，加上戰事膠著，勞力之外更勞心，諸葛亮真的病倒了。轉眼到了秋天，秋風起，天氣涼，秋風蕭瑟，又容易讓人感傷，諸葛亮的病情竟然嚴重起來。消息傳到成都，後主劉禪大為驚愕，趕緊派朝廷尚書僕射李福星夜趕往五丈原，一方面探視丞相的病情；另一方面還有大事相問。李福趕到五丈原時，看到諸葛亮的病情已經很重了。
李福在病床前向丞相詢問對國事方面的交代，聽完後就急忙回成都覆命。走了幾天，李福突然想起來還有重要的事沒有問，於是又返回來重新面見丞相，諸葛亮已知道了他的來意，對李福說：“我知道你的意思，想說的很多，再說一天也說不完，你想的問的，公琰合適。”公琰是蔣琬的字，李福道：“前幾天確實忘了問您這件事，就是您百年之後誰可以接替大任，所以又回來。我還想再問您，蔣琬之後，誰可以接任？”諸葛亮回答：“文偉可以。”文偉，是費禕的字。李福又問費禕之後誰合適，諸葛亮不再回答。
諸葛亮給丞相長史楊儀等人留下遺命，自己死後葬於漢中的定軍山下，借助山勢做墳，墓塚大小夠容納棺材就行了，殮葬時穿平時的衣服就行，不用陪葬的器物。
蜀漢建興十二年（234）8月，諸葛亮病逝於五丈原，終年54歲。後世傳說他出生於4月14月，卒於8月28日，但史書對此沒有明確記載。有史書記載，諸葛亮病逝的那一天有星赤而芒角，自東北向西南流射，落於蜀軍大營。
歷史不應以成敗論英雄，諸葛亮不懼艱難挑戰、矢志不渝的精神受到後世的肯定，他公而忘私的品質也受到高度讚揚。在人們看來，諸葛亮具備治國治軍的突出才能，又有濟世愛民、謙虛謹慎、廉潔奉公的品格，為後世樹立了榜樣。
回顧諸葛亮的一生，他的忠貞、濟世、敬業、至公、廉潔、謙虛等都為帝王、將相以及普通百姓所稱頌，已然成為帝王心目中理想的人臣、人臣治國理政的榜樣和普通人平時學習的楷模。