谯周作为太史，颇通天文，他看到孔明又准备出师，于是向后主刘禅上奏说：“我职责所在掌管司天台，观察天象，有福祸之兆不能不奏报。最近有数万群鸟从南方飞来，投入汉水而死，这是不祥之兆。我又观察到天象，奎星出现在太白星的分位上，盛气在北方，这对伐魏不利。再加上成都的民众都听到柏树在夜晚哭泣，这些异象都预示着灾难。丞相应该谨慎防守，不可轻举妄动。”然而孔明说：“我受先帝的托孤之重，应当竭力讨伐国贼，怎么能因为一些虚妄的征兆，就废弃国家大事呢？”于是命令有关部门设太牢祭于昭烈庙，流着泪拜告说：“我诸葛亮五次出兵祁山，都未能取得一寸土地，所负的罪责不轻！如今我再次统领全军，出兵祁山，发誓要竭尽心力，剿灭汉贼，恢复中原，鞠躬尽瘁，死而后已！”祭礼结束后，他拜辞了后主，连夜赶到汉中，聚集诸将商议出兵事宜。忽然有消息报来，说关兴病逝，孔明放声大哭，昏倒在地，半天才苏醒过来。众将再三劝解，孔明叹息道：“可怜的忠义之人，天却不赐予他长寿！我这次出兵，又少了一员大将啊！”后人有诗感叹：“生死本是人之常理，如同蜉蝣一样短暂。但只要心存忠孝节义，又何必求长寿如松柏之乔呢？”
孔明带领蜀兵三十四万，分五路进军，命令姜维、魏延为先锋，都在祁山集结，又命令李恢先运送粮草到斜谷道口等候。此时是魏国的青龙二年春二月，因为前一年有青龙从摩坡井内出现，所以改了年号。近臣上奏说：“边境官员飞报蜀兵三十多万，分五路再次出兵祁山。”魏主曹睿大惊，急忙召见司马懿，对他说：“蜀国人三年没有入侵了，现在诸葛亮又出兵祁山，我们该怎么办？”司马懿回答说：“我夜观天象，发现中原的旺气正盛，而奎星侵犯太白星，这对西川不利。现在孔明自负才智，逆天而行，是自取败亡。我托陛下的洪福，应当前往破敌，但愿能保举四人同去。”曹睿问：“你保举何人？”司马懿说：“夏侯渊有四个儿子：长子名叫夏侯霸，字仲权；次子名叫夏侯威，字季权；三子名叫夏侯惠，字稚权；四子名叫夏侯和，字义权。夏侯霸、夏侯威二人擅长骑射，夏侯惠、夏侯和二人精通韬略。这四人一直想为父报仇。我现在保举夏侯霸、夏侯威为左右先锋，夏侯惠、夏侯和为行军司马，共同协助军机，以退蜀兵。”曹睿问：“以前夏侯楙驸马失误军机，损失了许多兵马，至今仍因羞愧而不敢回来。现在这四人会不会和夏侯楙一样？”司马懿回答说：“这四人绝非夏侯楙所能比。”曹睿于是听从了他的建议，立即任命司马懿为大都督，所有将士都根据才能委以任用，各地的兵马都听从他的调遣。
司马懿接受任命后辞别朝廷出了城。曹睿又以手诏赐给司马懿说：“你到达渭滨后应该坚守壁垒采取守势不要与敌人交锋。蜀兵如果不能得志就必定会假装撤退来诱敌你千万要小心不要追击。等到他们粮食用尽必定会自动撤走然后我们再乘虚攻击他们这样取胜就不难了也可以避免军马疲劳之苦。没有比这更好的计策了。”司马懿叩头接受诏令当日就到达长安聚集了各地的军马共四十万人都来到渭滨下寨；他又拨出五万军马在渭水上搭起九座浮桥让先锋夏侯霸、夏侯威过渭水安营；又在大营之后的东原筑起一座城池以防不测。
司马懿正在与众将商议的时候忽然有人报告说郭淮、孙礼求见。司马懿迎入他们后礼毕郭淮说：“现在蜀兵正在祁山如果让他们跨过渭水登上高原接连北山阻断陇道那就非常危险了。”司马懿说：“你说得对。你可前往总督陇西军马在北原下寨深挖壕沟高筑壁垒坚守不动。只等蜀兵粮食用尽我们才可以攻击他们。”郭淮、孙礼领命后带着兵马去下寨了。
孔明再次出兵祁山，布下了五个大寨，分别是左、右、中、前、后，从斜谷一直延伸到剑阁，又连续建立了十四个大寨，分散驻扎军马，为长期作战做准备。他每天都派人巡逻。忽然有报告说郭淮、孙礼带领陇西的军队在北原下寨。孔明对将领们说：“魏军在北原安营，是怕我们取此路，阻断陇道。我们现在假装攻打北原，实际上却秘密攻取渭滨。派人扎木筏百余只，上面装载草把，选五千名熟练水手驾驶。我们深夜只攻打北原，司马懿必定会引兵来救。如果他们稍微败退，我们就让后军先渡过河去，然后把前军放在木筏中，不要上岸，顺水去取浮桥放火烧断，以攻击他们的后方。我亲自带领一军去攻取前营的门户。如果我们能占据渭水之南，那么进兵就不难了。”将领们遵命而行。然而，早有巡逻的士兵飞报给司马懿。
司马懿召集将领们商议说：“孔明这样部署，其中必定有计。他们以攻取北原为名，实际上是顺水来烧浮桥，扰乱我们的后方，然后再攻打我们的前方。”他立即传令给夏侯霸、夏侯威说：“如果听到北原发出喊声，就提兵到渭水南山之中，等待蜀兵到来后攻击他们。”又命令张虎、乐綝带领二千名弓弩手埋伏在渭水浮桥的北岸：“如果蜀兵乘木筏顺水而来，就一起射击他们，不要让他们靠近浮桥。”又传令给郭淮、孙礼说：“孔明来北原是为了秘密渡过渭水，你们新建的营地人马不多，可以全部埋伏在半路上。如果蜀兵在午后渡水，黄昏时分必定会来攻打你们。你们假装败逃，蜀兵必定会追赶，你们都用弓弩射击他们。我们水陆并进，如果蜀兵大举进攻，只看我的指挥进行反击。”各处下令完毕后，又命令两个儿子司马师、司马昭带领军队救援前营，他自己则亲自带领一军救援北原。
孔明命令魏延、马岱带领军队渡过渭水攻打北原；命令吴班、吴懿带领木筏兵去烧浮桥；命令王平、张嶷为前队，姜维、马忠为中队，廖化、张翼为后队：兵分三路去攻打渭水的旱营。当天午时，人马离开大寨全部渡过渭水列成阵势缓缓前进。当魏延、马岱接近北原时天色已经昏暗。孙礼看到他们便立即放弃营地逃跑。魏延知道有埋伏急忙撤军时四下喊声大震左有司马懿右有郭淮两路军队杀来。魏延、马岱奋力杀出一条血路但蜀兵大多落入水中余下的士兵也无路可逃。幸好吴懿的军队杀来救了败兵过岸抵挡。吴班分出一半兵力撑筏顺水来烧浮桥却被张虎、乐綝在岸上用乱箭射住。吴班中箭落水而死余下的军队跳水逃命木筏全部被魏兵夺去。
此时王平、张嶷不知道北原的败仗一直冲到魏营已经是二更天气只听到喊声四起。王平对张嶷说：“我们的军队正在攻打北原不知道胜负如何。渭南的营地就在我们面前为什么看不到一个魏兵？莫非司马懿已经知道了先做了准备？我们等看到浮桥火起再进攻。”两人勒住军马忽然背后一骑马来报告说：“丞相命令军队立即撤回。北原的军队和浮桥的军队都已经失利了。”王平、张嶷大惊急忙撤军时却被魏兵抄在背后一声炮响一齐杀来火光冲天。王平、张嶷带领军队迎战两军混战一场。平、嶷两人奋力杀出一条血路但蜀兵折损大半。
孔明回到祁山大寨收拢败兵大约折损了万余人心中非常忧闷。忽然有报告说费祎从成都来见丞相。孔明请他进来。费祎行礼后孔明说：“我有一封信正想麻烦你去东吴递交不知道你愿意去吗？”
费祎回答道：“既然是丞相的命令，我怎么敢推辞呢？”于是孔明立刻写好书信并交给费祎。费祎拿着书信直接来到建业，进入宫殿拜见吴主孙权，并呈上孔明的书信。孙权拆开书信看后，信中的内容大致是：汉室不幸，王纲失纪，曹操篡逆，这种局面一直蔓延至今。我孔明受昭烈皇帝的嘱托，重任在身，怎敢不竭尽全力尽忠职守？现在大军已经会集在祁山，狂妄的敌寇即将在渭水灭亡。恳切希望陛下念及同盟的情义，命令将领北征，共同夺取中原，分享天下。信中的言辞无法尽述，万望陛下圣明垂听！
孙权看完信后非常高兴，对费祎说：“我早就想兴兵，但一直未能与孔明会合。现在既然有书信到来，我即日将亲自出征，进驻巢门，攻取魏国的新城。再命令陆逊、诸葛瑾等人屯兵在江夏、沔口，攻取襄阳；孙韶、张承等人出兵广陵，攻取淮阳等地。三处军队一齐进军，共计三十万大军，即刻出发。”费祎拜谢道：“如果真能这样，那么中原不久就会被我们攻破！”孙权设宴款待费祎。在饮宴间，孙权问道：“在丞相军中，谁担任先锋破敌？”费祎回答说：“是魏延。”孙权笑着说：“这个人勇猛有余，但心术不正。如果有一天没有孔明，他必定会成为祸害。孔明难道不知道这一点吗？”费祎说：“陛下说得很对！我现在回去，就会将陛下的话告诉孔明。”于是费祎拜辞孙权，回到祁山，见到孔明后，详细转述了孙权将出动三十万大军，御驾亲征，并分三路进军的计划。
孔明又问：“孙权还有别的话吗？”费祎将孙权对魏延的评价告诉了孔明。孔明叹息道：“孙权真是一位聪明的君主！我并非不知道魏延的为人，只是爱惜他的勇猛，所以才用他。”费祎说：“丞相应该早点处理这个问题。”孔明说：“我自有办法。”费祎辞别孔明后，自行返回成都。
此时孔明正在与众将商议进军的事宜，忽然有报告说有魏国将领来投降。孔明召见后问其来意，那人回答说：“我是魏国的偏将军郑文。最近与秦朗一同领兵听从司马懿的调遣。但司马懿徇私偏向秦朗加封他为前将军却视我如草芥因此我心中不平特来投降丞相。希望丞相能收留我。”话还没说完就有人来报告说秦朗带兵在营寨外面挑战单要郑文出去交战。孔明问郑文：“你的武艺与秦朗相比如何？”郑文回答说：“我定能斩他。”孔明说：“你如果能先杀了秦朗我才会信任你。”郑文欣然上马出营与秦朗交锋。孔明也亲自出营观看。
只见秦朗挺枪大骂道：“反贼盗我战马来到这里可早早还我！”说完直取郑文。郑文拍马舞刀相迎只一回合就斩秦朗于马下魏军纷纷逃走。郑文提着秦朗的首级回到营中。然而孔明回到帐中坐定后却突然勃然大怒喝令左右将郑文推出斩首。郑文大惊失色喊道：“小将无罪！”孔明说：“我以前就认识秦朗你现在斩的人并不是秦朗。你怎么敢欺骗我！”郑文连忙拜告说：“这其实是秦朗的弟弟秦明。”孔明笑着说：“是司马懿派你来诈降想趁机捣乱的吧？你以为你能瞒得过我吗？如果你不老实交代我必定斩你！”郑文只得承认自己是诈降并哭着请求免死。孔明说：“你既然想活命那就写一封信给司马懿让他亲自来劫营我就饶你性命。如果你能帮我们捉住司马懿那就是你的功劳我还会重用你。”郑文只得写了一封信交给孔明。孔明命令将郑文监押起来。
樊建问孔明：“丞相怎么知道这个人是诈降的？”孔明解释说：“司马懿不会轻易用人。如果秦朗真的被加封为前将军那他的武艺必然高强。但现在郑文与秦朗交手只一回合就斩了秦朗这显然不是真正的秦朗。所以我断定他是诈降的。”众人都对孔明的智慧佩服得五体投地。
接着孔明挑选了一个口才好的军士秘密交代了一番。军士领命后拿着书信来到魏寨求见司马懿。司马懿召见后拆开书信看完问道：“你是什么人？”军士回答说：“我是中原人流落到蜀中与郑文是同乡。现在孔明因为郑文有功任用他为先锋。郑文特地托我来送信约定在明日晚间举火为号希望都督能带领大军前来劫寨郑文会在里面做内应。”司马懿反复盘问又将书信仔细检查了一遍确认是真的后就赐给军士酒食并吩咐说：“本日二更为期限我会亲自来劫寨。如果大事成功我必定会重用你。”军士拜别后回到蜀寨向孔明报告了情况。
孔明于是设下埋伏和陷阱做好迎战的准备。他命令王平、张嶷等人按照计划行事；又命令马忠、马岱等人也按照计划行事。
孔明又特别召来魏延，秘密地布置了一番任务。然后他自己带领数十人，坐在高山之上，全面指挥众军行动。
司马懿看了郑文的信后，打算带着两个儿子率领大军去劫蜀军的营寨。但长子司马师劝诫说：“父亲，您怎么能仅凭一封信就亲自深入重地呢？万一有疏漏，那该怎么办？不如先派别的将领去，您在后面接应。”司马懿听从了儿子的建议，于是命令秦朗带领一万兵力去劫蜀寨，他自己则率军在后面接应。
当晚初更时分，风清月朗。但当快到二更时，突然阴云密布，黑暗笼罩，面对面都看不清。司马懿大喜，认为这是天助他成功。于是所有人都口衔枚，马嘴也被勒住，以防发出声音，他们长驱直入，大举进攻。
秦朗身先士卒，带着一万兵直接冲入蜀寨，但里面却空无一人。他知道自己中计了，急忙下令退兵。但此时四下火把齐明，喊声震天。左边有王平、张嶷，右边有马岱、马忠，两路蜀兵夹击而来。秦朗死战，但无法突围。背后的司马懿看到蜀寨火光冲天，喊声不断，不知道魏兵的胜败情况，只顾催兵上前接应，朝着火光中杀去。
突然，一声呐喊响起，鼓角喧天，火炮震地。左边魏延，右边姜维，两路蜀兵杀出。魏兵大败，伤亡惨重，四处逃散。此时秦朗所带的一万兵都被蜀兵围住，箭矢如雨点般射来，秦朗在混乱中被杀。司马懿带着残兵逃回自己的营寨。
三更过后，天气又变得清朗起来。原来二更时的阴云黑暗是孔明使用遁甲之法造成的。他收兵后，又驱使六丁六甲之神扫荡了浮云，所以天气又变清了。
孔明在山上鸣金收兵后回到营寨。他命令将郑文斩首，并再次商议攻取渭南的策略。但每天蜀兵挑战时魏军都不出迎。于是孔明亲自乘坐小车来到祁山前、渭水东西两岸踏看地形。当他来到一个谷口时发现其形状像葫芦一样可以容纳千余人；而两山之间又有一个较小的谷口可以容纳四五百人；背后两山环抱只能通过一个人一匹马。孔明看了非常高兴并询问向导官这个地方的名字得知这里叫上方谷又叫葫芦谷。
回到帐中后孔明召来裨将杜睿和胡忠两人并秘密地给他们布置了任务：让他们带领一千多名随军匠人进入葫芦谷中制造“木牛”“流马”这些运输工具；同时又命令马岱带领五百兵力守住谷口并严格保密捉拿司马懿的计划就在此举中千万不能走漏风声。马岱接受了任务后离去而杜睿等两人则在谷中监督匠人们按照孔明的指示进行制造工作。
有一天长史杨仪进来报告说：“现在所有的粮食都储存在剑阁但是搬运起来非常不方便因为人夫和牛马都不足该怎么办呢？”孔明笑着说：“其实我已经考虑这个问题很久了。之前我们积累了很多木材并且还从西川收购了大量的大木让人制造‘木牛’‘流马’来搬运粮食这样非常方便。这些‘木牛’‘流马’既不需要喝水也不需要吃草可以昼夜不停地转运粮食。”众人都非常惊讶地说：“从古至今我们都没有听说过有‘木牛’‘流马’这样的事情。不知道丞相您有什么妙法能够制造出这样神奇的东西来呢？”
孔明说：“我已经让人依法制造木牛流马，但尚未完备。我现在先将制造木牛流马的方法，包括其尺寸、方圆、长短、阔狭，都详细写清楚，你们可以看看。”众将听后都非常高兴。孔明随即手写了一份制造方法，交给众将观看。
众将环绕着看这份制造方法。制造木牛的方法写道：腹部呈方形，腿弯曲，一股有四足；头缩入领中，舌头附着在腹部。它载重多但行程短：单独行走可达数十里，成群行走则为二十里。弯曲的部分为牛头，双出的为牛足，横放的为牛领，转动的为牛脚，覆盖的为牛背，方形的为牛腹，垂下的为牛舌，弯曲的为牛肋，刻削的为牛齿，直立的为牛角，细长的为牛鞅，摄持的为牛秋轴。牛抬头时双辕仰起，人行六尺，牛则走四步。每头牛可载十人一个月所食的粮食，人不太劳累，牛也不需要饮水和吃草。
制造流马的方法写道：肋长三尺五寸，宽三寸，厚二寸二分，左右相同。前轴孔到头的距离为四寸，孔径为二寸。前脚孔到前轴孔的距离为四寸五分，孔宽为一寸。前杠孔到前脚孔的距离为二寸七分，孔长二寸，宽一寸。后轴孔到前杠孔的距离为一尺五分，大小与前同。后脚孔到后轴孔的距离为三寸五分，大小也与前同。后杠孔到后脚孔的距离为四寸七分，后载物处到后杠孔的距离为四寸五分。前杠长一尺八寸，宽二寸，厚一寸五分。后杠与此相同。木板制成的方形袋子两枚，厚八分，长二尺七寸，高一尺六寸五分，宽一尺六寸，每枚可装米二斛三斗。从上杠孔到肋下的距离为七寸，前后相同。上杠孔到下杠孔的距离为一尺三寸，孔长一寸五分，宽七分，八个孔都相同。前后四脚宽二寸，厚一寸五分。整体形状像象，皮带长四寸，径面四寸二分。孔径中的三脚杠长二尺一寸，宽一寸五分，厚一寸四分，与杠耳相同。
众将看了一遍后，都拜伏在地，称赞道：“丞相真是神人啊！”过了几天，木牛流马都制造完备，就像活的一样，上山下岭都非常方便。众军看到后都非常高兴。孔明命令右将军高翔带领一千士兵驾着木牛流马，从剑阁直达祁山大寨，往来搬运粮草供给蜀兵使用。后人有诗赞道：“剑关险峻驱流马，斜谷崎岖驾木牛。后世若能行此法，输将安得使人愁？”
此时司马懿正在忧闷之中，忽然哨马报告说：“蜀兵正在使用木牛流马转运粮草，人们不太劳累，而牛马也不需要吃草。”司马懿大惊道：“我之所以坚守不出战，就是因为他们的粮草无法接济，想等他们自行崩溃。现在他们使用了这种方法，必然是做了长远打算不打算撤退了。这可怎么办呢？”他急忙召来张虎、乐綝二人吩咐道：“你们两人各带五百士兵从斜谷小路抄出去，等蜀兵驱赶过木牛流马后任他们过去然后一起杀出。不要多抢只抢三五匹就回来了。”两人依令行事各带五百士兵扮作蜀兵夜间偷过小路埋伏在山谷中。果然看到高翔带着士兵驱赶木牛流马而来。等他们快过完时两边一起鼓噪杀出蜀兵措手不及丢下了几匹木牛流马。张虎、乐綝欢喜地驱赶着抢到的木牛流马回本寨。
司马懿看了这些抢回来的木牛流马发现它们果然像活的一样能够自如行动于是大喜说道：“你们会用这种方法难道我就不会用吗？”他便命令一百多名巧匠当面拆开木牛流马并按照其尺寸长短厚薄的方法一样制造木牛流马。不到半个月就造出了两千多只与孔明所造的一模一样也能够自如奔走。于是他命令镇远将军岑威带领一千士兵驱赶着木牛流马去陇西搬运粮草往来不断。魏营的军将们都非常高兴。
高翔回来向孔明报告，说魏兵抢走了五六匹木牛流马。孔明笑着说：“我正要他们抢去。我只费了几匹木牛流马的代价，不久却能得到魏军许多的资助。”诸将问为什么，孔明解释道：“司马懿见了木牛流马，必然会仿照我们的方法制造。那时我又有新的计策。”
数日后，有人报告说魏兵也会造木牛流马了，正在往陇西搬运粮草。孔明大喜，说：“这正是我所预料的。”于是他叫来王平，吩咐他带领一千兵力，扮作魏兵，星夜偷过北原，假称是巡粮军，直接到运粮的地方，将护粮的魏兵全部杀散，然后驱赶木牛流马回来，经过北原的时候，必定有魏兵追赶，这时就将木牛流马的舌头扭转，使牛马不能行动，然后丢弃它们逃跑。等背后的魏兵赶到，牵拽不动，也扛抬不走。等我们的援兵到了，你们再回身将牛马的舌头扭过来，继续驱赶前行。这样魏兵必定会怀疑这是神怪之作。”王平接受了任务，带领兵力离去。
孔明又叫来张嶷，吩咐他带领五百兵力，全部扮作六丁六甲神兵，鬼头兽身，五彩涂面，做出种种怪异的样子，一手执绣旗，一手执宝剑，身上挂着葫芦，里面藏着烟火之物，埋伏在山边。等木牛流马到的时候，放起烟火，一起冲出，驱赶牛马前行。魏兵见了，必定会怀疑是神鬼作怪，不敢来追赶。”张嶷也接受了任务，带领兵力离去。
孔明又命令魏延和姜维带领一万兵力去北原寨口接应木牛流马以防交战；命令廖化和张翼带领五千兵力去阻断司马懿的来路；命令马忠和马岱带领二千兵力去渭南挑战。这六人都各自遵令而去。
且说魏将岑威带领军队驱赶木牛流马装载粮米正在行进中突然接到报告说前面有蜀兵在巡粮。岑威派人侦察后确认是魏兵于是放心前进。两军合并在一起时突然喊声大震蜀兵从本队中杀出大喊：“蜀中大将王平在此！”魏兵措手不及被蜀兵杀死大半。岑威带领败兵抵抗被王平一刀斩杀其余的都溃散了。王平带领军队把木牛流马全部驱赶回来。败兵逃回北原寨内报告。
郭淮听说军粮被劫急忙带领军队来救援。王平命令士兵扭转木牛流马的舌头将它们全部丢弃在道路上边战边退。郭淮下令不要追赶只把木牛流马驱赶回来。然而众军一起驱赶却怎么也驱不动。郭淮心中疑惑正无可奈何时忽然鼓角喧天喊声四起两路蜀兵杀来原来是魏延和姜维。王平也带领军队杀回。三路夹攻下郭淮大败而逃。王平命令军士再次扭转牛马的舌头驱赶它们前行。郭淮望见正想回兵再追却看见山后烟云突起一队神兵冲出来一个个手执旗剑形状怪异驱赶着木牛流马如风般迅速离去。郭淮大惊道：“这一定是神助！”众军见了都惊恐畏惧不敢追赶。
司马懿听说北原兵败急忙亲自带领军队来救援。刚到半路忽然一声炮响两路蜀兵从险峻处杀出喊声震天旗上大字写着：“汉将张翼、廖化”。司马懿见了大惊魏军也着慌各自逃窜。