太和四年（230年）秋季，魏军转守为攻，兵分数路主动向西蜀发起进攻，当时诸葛亮已发起了第四次北伐，正欲率军围攻祁山，听说魏军南进的消息后，也预先做了迎击的准备。
因天降大雨，且连下月余而不止，栈道被冲毁，北进道路也泥泞难行，蜀军刚走了一半路即已疲乏不堪，后勤运输更是困难重重，诸葛亮只好下令撤军。
彼时魏大司马曹真病重卧床不起，不能统兵作战，魏明帝曹叡于是将大将军司马懿从南阳宛城召回洛京，当面嘱咐道：“西方有事，非君莫可付者。”命他代替曹真督率西线大军，驻守长安，抵御蜀汉军队的进攻。
太和五年（231年）2月，诸葛亮命同为辅政大臣的中都护李严留守汉中，负责筹办督运军粮，自己再次亲率大军出祁山攻魏，仍以曹魏陇右地区为进攻目标。
这次北伐，诸葛亮把蜀军进攻基地从汉中前推到新近夺占的武都、阴平，用木牛（可走山道的改进独轮车）运输粮草，以保障前线军粮的持续补给，不使因转运困难而有所匮乏。
诸葛亮劲敌司马懿闪亮登场，两人首次也是唯一一次当面硬刚
太和五年（231年）3月，大司马曹真病重去世，军权逐渐被老谋深算的司马懿所攫取、掌控。司马懿抵达长安后，召集诸将开会，命费曜、戴陵领精兵四千扼守上邽（今甘肃天水），主力则往西进援祁山。大将张郃建议建议分兵防守雍、郿二县，以便与上邽守军相互呼应，还可分散蜀军力量。司马懿则认为分兵会削弱力量，很容易被蜀军分割包围、各个击破。于是拒绝采纳张郃建议，率魏军主力大举向西挺进。
诸葛亮侦知魏军正往祁山方向赶来，就留将军王平率偏师继续围攻祁山，他自己率魏延、吴班等前去上邽（天水）迎击司马懿大军。
第一阶段：上邽之战
彼时，曹魏在陇右仅有郭淮、费曜的部队，这两个魏将在上年的10至12月间刚被蜀将魏延、吴懿率军大败于阳溪，损失颇重，元气还未恢复过来。这时诸葛亮亲率的蜀军主力，对郭淮、费曜具有碾压性优势。
诸葛亮率大军抵达陇右后，知道魏军主力皆随司马懿西救祁山去了，于是督军猛攻上邽（天水）。费曜、郭淮、戴陵击退蜀军的第一波进攻后，率上邽数千守军开城出战，被早有准备的蜀军打得丢盔撂甲，大败亏输，只得丢下数百具尸体逃回城中固守待援。诸葛亮见上邽郊外的庄稼已经成熟，就分出数千军士将上邽附近的麦子抢收一空，以补充军粮。
第二阶段：卤城大捷
司马懿在赶往祁山的途中听说蜀军主力已经进入陇右，正围攻上邽，急忙率大军回援，另分兵一部令大将张郃率领往祁山以南去攻打王平，以解祁山之围。张郃率部开至祁山后，由于王平部坚守不战，使张郃久攻不下，正在进退两难、犹豫不决时，听说司马懿大军在上邽附近被诸葛亮挫败，且输得很惨，急忙率军退回。
太和五年（231年）4月间，卤城（今甘肃礼县盐官镇）之战爆发。《三国志·蜀书·王平传 》记载：“九年，亮围祁山，平别守南围。魏大将军司马宣王攻亮，张郃攻平，平坚守不动，郃不能克”。
卤城之战详细经过：诸葛亮取得上邽之战的胜利，还将上邽附近的麦子收割一空，听说司马懿率魏军主力大举回援，倒也并不慌乱，而是列阵以待。《晋书·宣帝纪》记载：“宣王寻亮至于卤城。张郃曰：‘彼远来逆我，请战不得，谓我利在不战 ，欲以长计制之也。且祁山知大军已在近，人情自固，可止屯于此，分为奇兵，示出其后，不宜进前而不敢逼，坐失民望也。今亮县军食少，亦行去矣。’”司马懿拒绝采纳张郃正确建议，坚持率大军回救上邽，与诸葛亮展开决战。
卤城之战的具体经过：司马懿带兵赶回上邽，见郭淮、费曜均被诸葛亮大败，不敢与蜀军交战。他令将士选险要地势扎寨坚守，不许出战。诸葛亮屡屡派出军士挑战，魏军不予理睬，只守不战。司马懿料定蜀军远来，粮食很难持久，所以勒令诸军不得出战。
诸葛亮见魏军坚守不战，无计可施，只好佯装撤军，为了引诱魏军追击，再寻机予以歼灭。
司马懿见蜀军撤兵，果然率军拔营而出，沿蜀军撤退的路线追赶而去，蜀军退到上邽以东的卤城（今甘肃礼县盐官镇），列阵相迎。魏军一靠近蜀军阵地，司马懿又下令扎下大营，登高在险要处挖壕筑垒，恃险坚守。魏军诸将屡次请求出战，司马懿始终不许。
魏军将士非常不满，议论纷纷道：“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”司马懿知道后心里也不是滋味。
到了这年五月间，魏军诸将轮番请战，司马懿怕犯众怒，无奈只好同意出战。史料记载了卤城之战的经过：“五月辛巳，乃使张郃攻无当监何平于南围，自案中道向亮。亮使魏延、高翔、吴班赴拒，大破之，获甲首三千级，玄铠五千领，角弩三千一百张，宣王还保营。”
司马懿挥军出战，诸葛亮遣魏延、高翔、吴班率军迎战，这一仗，蜀军人人奋勇，个个争先，杀得魏军人仰马翻，血水横流，是役阵毙魏军甲士3000多人，缴获玄铠（铁制铠甲）5000套，角弩（一种硬弓，以动物角为装饰）3100张。司马懿与诸葛亮第一次也是唯一一次面对面硬刚，以诸葛亮大获全胜告一段落。
司马懿损兵折将，苦不堪言，只好和张郃合兵一处，收拾溃卒，死守阵地，任凭蜀军如何辱骂邀战，再也不出阵迎战。
