塞等地。
此前，诸葛亮曾告诫孟达加紧防范，孟达写信给诸葛亮认为：“宛城和洛阳相距八百里，离我处一千二百里，上表给天子，来回路程，少需一个月，那时我的城池已修固，诸军都作好了准备。我驻扎的地形深险，司马公必不会亲自来，其他部将来，则不足为患”。而司马懿先斩后奏，仅八日就兵临城下，孟达又写信给诸葛亮，惊叹：“吾举事，八日而兵至城下，何其神速也！”
上庸城三面环水，孟达在城外树立木栅，加固城防。司马懿挥师渡水，毁其木栅，直逼城下。公元228年（太和二年）正月，司马懿兵分八路攻城，仅十六天，孟达的外甥邓贤、部将李辅开城投降。魏军入城，擒斩孟达，传首京师，俘获万余人。司马懿回军，仍驻宛城，奖劝农桑，禁止浪费。南方吏民心悦诚服。
起初，申仪久在魏兴郡，专威弄权，擅自借皇帝名义刻制印信，私相授予。孟达被杀之后，申仪自生疑虑。当时各郡郡守见司马懿克敌制胜，纷纷奉礼祝贺。司马懿听之任之，并让人向申仪暗示。申仪只好前来祝贺。司马懿乘机将他收捕，送往京师。司马懿又将孟达余众七千余家迁往幽州。不久蜀将姚静、郑他等率其部属七千余人来降。
当时边郡新附，户口不实。朝廷想加以核实，请司马懿进京，征询他的意见。司马懿认为：“贼以密网束下，故下弃之。宜弘以大纲，则自然安乐”。
魏明帝又问他吴蜀都该讨伐，应该先从何处着手？司马懿回答说：“吴以中国不习水战，故敢散居东关。凡攻敌，必扼其喉而其心。夏口、东关，贼之心喉。若为陆军以向皖城，引权东下，为水战军向夏口，乘其虚而击之，此神兵从天而坠，破之必矣。”魏明帝同意他的看法，命他回宛城备战。八月，大司马曹休不依计划，迳下皖城深入敌境接应诈降的吴将周鲂，在石亭被陆逊伏击，大败，曹休病死。
公元229年（太和三年），蜀丞相诸葛亮第三次出兵攻魏，并占据武都、阴平二郡。公元230年（太和四年），魏明帝决定兴师伐蜀。升司马懿任大将军、加大都督、假黄钺，与大司马曹真一起伐蜀。
八月，魏明帝命曹真率主力由长安入子午谷，左将军张出斜谷，司马懿自荆州溯汉水出西城，将兵分三路会攻汉中。司马懿从西城开拓道路，水陆并进，沿着沔水逆流而上，直达朐腮，攻克新丰县，驻军丹口，后遇雨班师。
公元231年（太和五年）二月，蜀汉丞相诸葛亮率军第四出进攻魏，包围祁山贾嗣、魏平部，并以木牛流马运输粮草。魏明帝对司马懿说：“西方有事，非君莫可付者”，派他西驻长安，都督左将军张、雍州刺史郭淮等防御蜀军。司马懿留部将费曜、戴陵率4000人守，自率主力西救祁山。张劝司马懿分兵驻扎雍、两地，以作大军后镇，司马懿不同意，他说：“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。”于是挺进喻麋，对战诸葛亮。
至此，史书上对今后的作战却有了两种截然不同的记载。
晋书宣帝纪：亮闻大军且至，乃自帅众将芟上之麦。诸将皆惧，帝曰：“吾倍道疲劳，此晓兵者之所贪也。亮不敢据渭水，此易与耳。”进次汉阳，与亮相遇，帝列阵以待之。使将牛金轻骑饵之，兵才接而亮退，追至祁山。亮屯卤城，据南北二山，断水为重围。帝攻拔其围，亮宵遁。追击，破之，俘斩万计。
资治通鉴：郭淮、费曜等徼亮，亮破之，因大芟刈其麦，与懿遇于上之东。懿敛军依险，兵不得交，亮引还。懿后等寻亮至于卤城。张曰：“彼远来逆我，请战不得，谓我利不在战，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。今亮孤军食少，亦行去矣。”懿不从，故寻亮。既至，又登山掘营，不肯战。贾栩、魏平数请战，因曰：“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”懿病之。诸将咸请战。夏，五月，辛巳，懿乃使张攻无当监何平于南围，自案中道向亮。亮使魏延、高翔、吴班逆战，魏兵大败，汉人获甲着三千，懿还保营。六月，亮以粮尽退军。
两书均记载诸葛亮带兵夺上粮草，晋书记魏军卸甲轻装，日夜兼程，在汉阳与诸葛亮相遇，司马懿派将军牛金率轻骑做饵，诸葛亮退兵至祁山，屯兵卤城，据南北二山，堵水筑围墙。魏军攻破，大破蜀军，俘获斩首数万。资治通鉴记司马懿开始依险道行军，使双方军队不得交战，诸葛亮只得带兵返还；司马懿又寻找诸葛亮的部队到达卤城，张建议出战，派奇兵绕到蜀军背后，断其后路，司马懿不听，继续寻找蜀军主力，找到后又依山扎营不出战，贾栩、魏平等将领都纷纷请求出战，等到了五月，司马懿派张做其他事，自派兵攻诸葛亮，蜀军迎战得胜，获甲首三千。而郭淮、费曜之前还被夺取了些粮草。
陈寿所著三国志诸葛亮、郭淮等人的传里，关于231年的祁山之役，也都没提过诸葛亮曾击破郭淮抢粮成功等事。
三国志蜀书诸葛亮传：建兴九年（231年）春，亮复出祁山，以木牛运，粮尽退军。与魏将张交战，射杀。
三国志魏略郭淮传：五年，蜀出卤城。是时，陇右无谷，议欲关中大运，淮以威恩抚循羌、胡，家使出谷；平其输调，军食用足，转扬武将军。
而三国志张传提到过晋书所载的诸葛亮退守祁山和三国志诸葛亮传里的张中箭而死。
几本史书对战争的总体趋势描述相同，都是司马懿保住陇西粮食，解了祁山之围，最终两军在相持中，蜀军粮草耗尽退兵。
公元233年（青龙元年），安定保塞匈奴大人胡薄居姿职等叛，司马懿派遣胡遵等追讨并破降。
蜀军退军后，军师杜袭、督军薛悌都预计诸葛亮第二年麦熟时还会入侵，建议趁冬天调运粮草，解决陇右粮少问题。司马懿认为：“诸葛亮两次出祁山，一次攻陈仓，都受挫而返。即使以后他还会出兵，将不再攻城，而是寻求野战，地点必在陇东，而不会在西边。诸葛亮常以粮少为恨，回去后必然广积粮草，我估计不经过三年，他是不会出兵的。”
公元234年（青龙二年）二月，蜀丞相诸葛亮率军十万出斜谷攻魏。四月，诸葛亮至县，进驻渭水之南。魏大将军司马懿率军渡渭水，背水筑垒阻击。诸将想在渭北与诸葛亮隔水相持，司马懿说：“百姓积聚的粮秣财物都在渭南，这是必争之地。”遂渡渭背水扎营。司马懿分析形势后，对诸将说：“百姓积聚的粮秣财物都在渭南，这是必争之地。”
当时，司马懿屯兵渭南。郭淮估计诸葛亮一定会争夺北原，主张先占领，他说：“如果诸葛亮跨过渭水登上北原，就可以连兵北山，断绝陇道，惊吓臣民和胡人，此乃国家安危之大患。”很多人不以为然，但司马懿很认同，让郭淮屯兵北原。战壕还没修好，蜀军压境，魏军奋力回击。不久，诸葛亮率大军西行，诸将都认为诸葛亮想攻西围。郭淮则认为，诸葛亮虚张声势是要让魏军大举回应，而他的目标是阳遂。夜里，蜀军果然进攻阳遂，因城中早有防备，诸葛亮没能成功。
晋书记载大致相同：“司马懿遣胡遵、郭淮共备阳遂，与亮会于积石，临原而战，亮不得进，还于五丈原。后遣奇兵掎亮之后，斩五百余级，获生口千余，降者六百余人”。
五月，十万吴军攻魏，配合蜀军作战，被满宠所拒。七月，魏明帝率兵亲征，吴军撤走。群臣认为司马懿正还在西边和诸葛亮重兵对峙，车驾可西幸长安，魏明帝则说：“权走，亮胆破，大将军以制之，吾无忧矣。”诸葛亮东进的道路受阻于司马懿，从渭水前进，又有郭淮阻挡，乃移军攻取散关，陇城等地，回师进攻司马懿。
八月，司马懿以“坚壁拒守，以逸待劳”的指示，与诸葛亮相持百余日。诸葛亮数次挑战，司马懿均坚壁不出，以待其变。诸葛亮便派人给司马懿送来“巾帼妇人之饰”，欲激司马懿出战，司马懿仍不出战。为平息部属不满情绪，故意装怒，上表请战。魏明帝不许，并派骨鲠之臣辛毗杖节来做司马懿的军师，以节制他的行动。诸葛亮一来挑战，司马懿就要带兵出击，辛毗杖节立于军门，司马懿便不出兵。蜀将姜维就对诸葛亮说：“辛毗杖节而至，贼不复出矣。”诸葛亮则说：“彼本无战情，所以固请战者，以示武于其众耳。将在军，君命有所不受，苟能制吾，岂千里而请战邪！”诸葛亮遂分兵屯田，做长久屯驻之准备。
司马懿的弟弟司马孚也来信问前线军情，司马懿回信说：“亮志大而不见机，多谋而少决，好兵而无权，虽提卒十万，已堕吾画中，破之必矣。”
不久，诸葛亮遣使求战，司马懿不谈军事，问使者：“诸葛公起居饮食如何，一顿能吃多少米？”使者说：“三四升。”然后对问政事，使者说：“打二十军棍以上的处罚，都是诸葛公自己阅批。”经过一番不经意的询问，司马懿对人说：“诸葛亮将要死了。”果然，诸葛亮于当月病故于五丈原军中。
蜀将秘不发丧，整军后退。当地百姓跑来报告，司马懿派兵追击，蜀将杨仪返旗鸣鼓，做出回击的样子，司马懿以‘穷寇莫追’收军退回。当时有人传：“死诸葛走生仲达”，司马懿听到笑说：“这是因为我长于预测活人的事，不长于预测人的生死啊。”第二天，司马懿到诸葛亮营垒巡视，并赞诸葛亮“天下奇才也”。
历时七年的诸葛亮北伐至此结束。诸葛亮以一州之地强攻中原之魏，纵使竭忠尽智，终因实力悬殊而难以实现其战略目的。而魏国则在司马懿、曹真等人的人正确指挥下，以优势兵力采取防御战略迫退蜀军，取得了最后的胜利。
蜀将杨仪、魏延在撤军后争权，杨仪杀死魏延。司马懿想乘机攻蜀，魏明帝未准，作罢。
公元235年（青龙三年），司马懿升任太尉，累增封邑。蜀将马岱入境侵扰，司马懿派牛金迎击，斩蜀军千余人。武都氐王苻双和强端率领其属下六千余人来降。
东汉末年军阀混战时，公孙度据有辽东。这个割据势力对曹魏一直时叛时降，保持着半独立的地位。公孙渊继为辽东太守后，对魏更加不逊。曹震怒，派荆州刺史丘俭出任幽州刺史，时辽水大涨，丘俭不利而还。丘俭讨伐受阻，使公孙渊更加得意。公元237年（景初元年），原魏辽东太守公孙渊背叛魏国，自立为燕王，置列百官，定都襄平。渊遣使南通孙权，封拜边民，诱呼鲜卑，侵扰北方。
于是，公元238年（景初二年）正月，魏明帝召回司马懿，命他率兵讨伐。魏明帝问他估计公孙渊有什么对策，司马懿说：“事先弃城逃走，是上计。凭借辽水抗拒我大军，这是次计。坐守襄平，那他就要当俘虏了。”魏明帝又问：“公孙渊会采用哪种？”司马懿回答：“只有聪明人能正确估量彼此实力。预先弃城，不是公孙渊所能做到的。他定会认为我们这次孤军远征不能持久，先在辽水抗拒，再退守襄平，这是中计和下计”。魏明帝问：“往还需要多少时间？”司马懿说：“去百日，回百日，攻战百日，用六十天休息，一年时间足够了。”
当时朝廷大修宫室，加上军用物资，百姓饥弊。司马懿出征前劝魏明帝说：“昔日周公营造洛邑，萧何建造未央宫，今日宫室不完备，这是我的责任。然而黄河以北，百姓穷困，内外徭役繁多，势必不能百废俱兴，应暂时停止内务，以救目前之急。”
临行时亲友相送，司马懿感慨作歌：“天地开辟，日月重光。遭遇际会，毕力遐方。将扫群秽，还过故乡。肃清万里，总齐八荒。告成归老，待罪舞阳。”
正月，司马懿率牛金、胡遵等步骑四万，从京师出发，经孤竹，越碣石，六月，进至辽水。公孙渊果然急令大将军卑衍、杨祚等人率步骑数万，依辽水围堑20余里，坚壁高垒，阻击魏军。
司马懿采用声东击西之计，先在南线多张旗帜，佯攻围堑，吸引敌军主力，而以主力隐蔽渡过辽水，逼进敌军的襄平本营，部将不解问其原因。司马懿说：“敌人坚营高垒，就是想让我们兵疲粮尽，若攻城，正中其计。古人曰，敌虽高垒，不得不与我战者，攻其所必救也。现在他们大军在此，老巢却空。我直指襄平，敌军必惧，惧而求战，破之必矣”。接着整顿阵列前进，敌军果然出来截击。司马懿对诸将说：“我之所以不攻其营，正是要等现在的局面。”于是指挥魏军痛击，三战皆捷，遂乘胜进围襄平。
当初公孙渊闻魏军来攻，求救于孙权，孙权也出兵为其声援，并给公孙渊写信：“司马懿善用兵所向无前，深深为贤弟感到担忧啊。”
适逢连降大雨，辽水暴涨，平地数尺，魏军恐惧，诸将思欲迁营。司马懿下令有敢言迁营者斩，都督令史张静违令被斩，军心始安。公孙渊军乘雨出城，打柴牧马，安然自若。魏将领请求出击，司马懿不允。司马陈圭曰问司马懿：“当年攻上庸，八路并进，昼夜不停，故能在一旬半时间里，攻下坚城，杀了孟达。这次远道而来，为什么行动却更加缓慢？”
司马懿说：“当年孟达军队少而粮食能支持一年，我们的兵是孟达的四倍粮食却不足一月，以一月粮的军队对付有一年粮的军队，怎能不速战速决？四打一，即使一半人伤亡，也是可行，当时不计死伤，正是要为有限的粮草争取时间。而今敌兵多我军少，敌粮少我粮多，又遇大雨，想速战也不可能。从出兵开始，我就不担心敌人来进攻，而是怕他们会逃跑。如今敌军粮草将尽，我军包围尚未合拢，若现在抢掠牛马，会逼他们逃走。兵者诡道，善因事变。他们现在凭借人多和大水，虽然饥困，也不肯就擒。这时候更当稳住对方，不能为得小利而把敌人吓跑。”
司马懿将计就计，故意示弱。朝廷听说雨大敌强，不少人请求召还司马懿。魏明帝却说：“司马懿临危制变，生擒公孙渊指日可待。”
月余，雨停，水渐退去。魏军完成对襄平的包围，昼夜强攻。城内粮尽，死者甚多，其将杨祚等降。时偶有流星自城西南向东北划过，坠落在梁水附近，城中愈发震恐。公孙渊也很惊惧，八月，派相国王建、御史大夫柳甫请解围而缚。司马懿斩杀使者，发布檄文严责：“昔日楚和郑是并列的国家，郑伯尚且肉袒牵羊而迎楚军。孤家为王者大臣，位在上公，而王建等要我解围退兵，如楚郑一样同列相待。二人年老糊涂，必是传话不符原意，已经将他们斩首。若还有话要说，可再派年少明智果决的人来。”
公孙渊又派侍中卫演来请求定日期送人质。司马懿对他说：“作战的大要有五：能战当战，不能战当守，不能守当走，余二事惟有降与死耳。公孙渊若不肯自缚请罪，就是决心寻死了，不须送什么人质。”
公孙渊欲从城南突围，司马懿纵兵击破其军，公孙渊战死在梁水边上。入城后，司马懿屠十五岁以上男子七千多人，收集尸体，筑造京观。把公孙渊所任公卿以下一律斩首，杀死将军毕盛等二千多人。收编百姓四万户。
司马懿释放了当年被公孙渊篡夺官位的公孙恭�