春，諸葛亮遣陳式攻武都（今甘肅省成縣周邊）、
陰平（今甘肅省文縣周邊）二郡。雍州刺史郭淮引兵救之，
亮自出至建威（今甘肅省西和縣西），郭淮退，遂得二郡。
建興八年（230年）秋，魏軍三路進攻漢中，
司馬懿走西城（今陝西省安康市西北），張合走子午谷，曹真走斜谷。
諸葛亮駐軍於城固（今陝西省城固縣東）、赤坂（今陝西省洋縣東二十里）。
時大雨三十餘天，魏軍撤退。同年，諸葛亮使魏延、吳懿西入羌中，
大破魏後將軍費曜（瑤）、雍州刺史郭淮於陽溪（南安郡內，
當在今甘肅省武山西南一帶）。
建興九年（231年）二月，諸葛亮率大軍攻祁山，始以木牛運。
時曹真病重，司馬懿都督關中諸將出拒。
諸葛亮割麥於上邽（今甘肅省天水縣）。
司馬懿追亮至滷城（今甘肅省天水市與甘谷之間），
掘營自守，有“畏蜀如畏虎”之譏。
同年五月，諸葛亮使魏延、高翔、吳班赴拒，大破司馬懿，
漢軍獲甲首三千級，玄鎧五千領，角弩三千一百張，於是司馬懿退還保營。
《晉書》則記魏軍卸甲輕裝，日夜兼程，在漢陽與諸葛亮相遇，
司馬懿派將軍牛金率輕騎做餌，諸葛亮退兵至祁山，屯兵滷城，
據南北二山，堵水築圍牆。魏軍攻破，大破蜀軍，俘獲斬首數萬。
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而陳壽所著《三國志》裡，兩種說法均無記載。
六月，李嚴因運糧不濟呼諸葛亮還師。
張合追亮退兵至木門，中箭身亡——此為二出祁山。
建興十年（232年），諸葛亮在黃沙休兵勸農，製作木牛流馬等，
並且練兵講武，準備再次北伐。
建興十一年（233年）冬，諸葛亮派遣諸軍運米，集結大軍於斜谷口，治斜谷邸閣。
建興十二年（234年）二月，諸葛亮經過三年勸農講武的準備，
率大軍出斜谷道，據武功五丈原（今陝西省岐山南），屯田於渭濱，
同時派使臣到東吳，希望孫權能同時攻魏。四月，蜀軍到達郿縣，
在渭水南岸的五丈原下紮營寨。司馬懿則率領魏軍背水築營，
想再次以持久戰消耗蜀軍糧食，令蜀軍自行撤退。
魏將郭淮認為蜀軍必會爭奪北原，司馬懿認同，便派郭淮先前往防備。
果然，蜀軍到來，但被郭淮擊退。
諸葛亮考慮到前幾次北伐都因為運糧不繼，導致功敗垂成，
於是開始在渭、濱的居民之間屯田生產糧食，百姓亦相安無事，一切如常。
而孫權也響應蜀漢，親率十萬大軍北上攻魏，但被魏明帝曹叡親自率軍打敗。
諸葛亮派虎步監孟琰駐武功水北，適逢水漲，阻斷了諸葛亮和孟琰的聯絡。
司馬懿趁機出兵進攻孟琰。結果諸葛亮一方面派工兵架橋，
一方面派弩兵向司馬懿的部隊射箭。司馬懿看到橋快架好，只好撤退了。
魏、蜀兩軍相峙了百多日，其間諸葛亮多次派人挑戰，司馬懿軍始終堅守不出。
其後諸葛亮故意讓人帶一套女人的衣服、頭巾送給司馬懿，
表示司馬懿就像女人一樣。魏軍將領見此情形都火冒三丈，
紛紛要求出戰，為了搪塞將領們的要求，司馬懿假意上表給魏明帝請戰。
曹睿便派衛尉辛毗作為持節使者，到前線節制司馬懿。