太和四年（230年）秋季，魏军一改之前被动防守的消极策略，数道并进，主动向蜀境发起进攻，诸葛亮也预先做了准备，并督率蜀军北进迎击。这是诸葛亮人生中第4次出祁山攻伐曹魏。
因彼时一连下了30多天大雨，此起彼伏的山洪、泥石流使栈道断绝，泥泞崎岖的山路给北伐蜀军造成了极大困扰，行军也变得异常艰辛，刚走了不到一半路程将士们皆疲乏不堪，诸葛亮只好下令大军回撤汉中。
次年2月，诸葛亮命李严以中都护留汉中府事，负责为前线筹集、督运粮草，自己再次亲率大军出祁山，仍以魏属陇右地区为进攻作战目标。
和前3次北伐不同，这次诸葛亮把进攻跳板（基地）前推至武都、阴平，并开始用木牛（一种能走山路的独轮车）运军粮保障北伐大军补给，“春，亮复出祁山，以木牛运，”基本解决了后勤补给难题。
魏明帝曹叡得知诸葛亮出兵围攻祁山，急忙调兵遣将阻抗蜀军。这时曹魏大司马曹真身患重病，不能统兵御敌，魏明帝急召大将军司马懿从南阳宛城赶回洛阳，当面叮嘱说：“西方有事，非君莫可付者。”旋即命司马懿代替曹真统帅大军西进屯扎长安，节制将军张郃、戴陵、费瑶、郭淮等共抗蜀军。
诸葛亮为了增强力量同时牵制魏军，特招鲜卑头领轲比能等率部进至故北地石城，与蜀军遥相呼应。
曹魏太和五年（231年）3月，大司马曹真病卒，从此魏国的军事重臣凋谢殆尽，军权逐渐被阴鸷戾狠、野心勃勃的司马懿所掌控。司马懿抵达西线后，命将军费瑶、戴陵率精兵4000留守上邽（甘肃天水），魏军主力由他本人亲率往西去救援祁山。
智勇双全、屡建战功的曹魏名将张郃向司马懿建议说，应分兵防守雍县、郿县（扶风郡属县），以便相互策应。司马懿则认为“料前军独能当之者，将军言是也。若不能当，而分为前后，此楚之三军所以为黥布禽也。”于是，魏军集中兵力，向祁山挺进。
诸葛亮知悉魏军援兵大举来攻的消息后，留将军王平率部分军队继续围攻祁山，自己率魏延、吴班等悍将去迎击司马懿大军。
诸葛亮见魏军势大，并未与其当面硬刚，而是避实就虚，率军直捣上邽（今天水）。郭淮、费瑶等魏将率守军出来迎击蜀军，被蜀将魏延击败，只得退回城里。诸葛亮见上邽郊外的麦子已经成熟，便令军士把附近的麦子收割一空，以补充军粮。司马懿听说上邽倾危，马上弃祁山之围于不顾而回救上邽。
司马懿统大军匆匆赶回上邽，在上邽以东遭遇蜀军拦截，却不敢与蜀军交战，勒令诸将不许出战，在险要处安营扎寨，据险坚守。司马懿针对蜀军远道而来，山高路险，粮草转运困难、难以长期相持、对峙的弱点，采取敛兵结寨，依险死守，坚不出战，长期对峙的作战方针，以拖疲、拖垮蜀军。
诸葛亮确实想速战速决。他派军士屡屡挑战，甚至出损招挑逗、羞辱司马懿，司马懿均置之不理，并严禁部下出战。诸葛亮无计可施，为了引诱魏军出战，只好佯装退兵。蜀军往祁山方向缓缓退去，目的是调动魏军，从中寻找战机。
但老谋深算的司马懿只是率偏师远远跟在后面，谨慎而小心地慢慢追赶，蜀军无机可乘。魏军沿蜀军撤退线路缓缓追去，一直赶到卤城（今陕西安康）。一靠近蜀军，司马懿又下令将士登山挖壕结寨，只守不攻。魏军将士以为司马懿胆怯畏战，面对蜀军盛气凌人地邀战和戏辱，个个义愤填膺，纷纷请求出战，司马懿始终不许。这引起了魏军将领的不满，他们聚在一起议论纷纷道：“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”
司马懿听后，心里很不是滋味，再加上麾下骁将张郃多次挫败蜀军，“名著关右”，更衬出自己的胆怯无能，使他感到异常难堪。
僵持到了5月间，魏将一再请求出战，司马懿出于无奈，只好分拨出部分兵马，命张郃率领驰奔祁山以南与攻打蜀将王平部，自己督率诸将统主力从正面进攻诸葛亮大军。
张郃率精锐开至祁山后，由于王平指挥得当，麾下军队又英勇善战，坚守不动，使张郃久攻不下，正在进退两难、犹豫不决时，忽然听说司马懿被诸葛亮打得大败亏输，急忙引军退回。
原来，司马懿统魏军主力与诸葛亮北伐军在卤城（安康）展开决战，诸葛亮派魏延、高翔、吴班率军迎战，蜀军渴战已久，人人奋勇，个个争先，在阵前歼灭魏军甲士3000多人，缴获铠甲5000套，弓弩3100张。司马懿损兵折将，只好与张郃合兵一处，退回上邽，死守阵地，任凭蜀军如何嚣张叫战，再也不出阵迎战了。
彼时司马懿所率的西线魏军共有30余万，诸葛亮所率的蜀军仅有数万（不超4万），兵力远远少于魏军。但蜀军却士气高昂，一个个摩拳擦掌，斗志旺盛，准备与魏军决一死战。
6月，正当诸葛亮准备趁势歼灭魏军主力时，前线蜀军的粮食即将耗尽，而负责督运粮草的李严因大雨连绵不歇，粮运非常困难，便矫诏令诸葛亮撤军。诸葛亮因军中乏粮，也只得下令蜀军往祁山方向撤退。
司马懿得知蜀军撤退，便遣悍将张郃率部跟踪追击，作战经验丰富的张郃劝阻道，“军法，围城必开出路，归军勿追。”
司马懿判定蜀军缺粮，所以回撤，顿时变得气壮如虎，根本听不进张郃的劝诫，坚持勒令他率部紧追不舍。
主帅有令，张郃不得已，只得小心翼翼地率部追击，当他追到木门道（今甘肃天水西南与四川旺苍县交界的木门镇（今属四川旺苍）北柏树河河谷处）时，遭到了蜀军的伏击。木门道地势险峻，两山对峙形成逼仄的峡谷，峡谷最窄处仅50米，道路必须从峡谷中穿过。这是个打伏击的绝佳地形。
张郃率魏军追兵一头闯入木门道后，早已埋伏在两侧山坡上、岩石后、杂树丛中的蜀军伏兵突然发起攻击，箭如飞蝗，飞矢如雨，滚木礌石倾泻而下，数千曹魏追兵无处藏身， 被雨点般的箭矢射得人仰马翻，砸得头破血流，尸骸布满谷道，张郃用兵刃左支右挡，还是被一枚流矢射中右膝盖，旋即伤重而死。“亮军退，司马宣王使郃追之，郃曰：‘军法，围城必开出路，归军勿追。’宣王不听。郃不得已，遂进。蜀军乘高布伏，弓弩乱发，矢中郃髀。”“诸葛亮复出祁山，诏郃督诸将西至略阳，亮还保祁山，郃追至木门，与亮军交战，飞矢中郃右膝，薨”。一代名将，就这么枉死于木门道。他率领的数千军队，除极少数侥幸逃生，大部被蜀军歼灭于木门道河谷中 。
张郃被魏国谥封为壮侯。其子张雄继承了他的职位。因为当初张郃从袁绍处转投曹营后，一生中屡建奇功，位列“五子良将”之中，魏明帝将他的封地分封给他的四个儿子，并封其四子为列侯。
诸葛亮在木门设伏狙杀曹魏名将张郃、歼灭其军后顺利退回汉中，随后上表后主刘禅，以“渎职欺罔”罪将李严削职为民，流放边地。
