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SX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。[56][57]
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。[58]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。
司馬懿曾向蜀漢使者詢問諸葛亮的睡眠、飲食和辦事多少，不打聽軍事情況，使者答道：“諸葛公早起晚睡，凡是二十杖以上的責罰，都親自披閱；所吃的飯食不到幾升。”司馬懿告訴人說：“諸葛孔明進食少而事務煩，他還能活多久呢！”[59]
諸葛亮乃分兵屯田，在魏國境內與魏國百姓共同種糧自給自足，打算長期駐紮下去，但諸葛亮卻因過於操勞而病重。[56]
病重而逝
主詞條：五丈原之戰
八月，諸葛亮病情日益惡化。諸葛亮病重之際，蜀主劉禪派遣尚書僕射李福前來軍前問候，同時詢問國家大事。李福與諸葛亮談話完畢，辭別而去，幾天之後又回來。諸葛亮說：“我知道您回來的意圖，近來你雖然整天與我交談，但有些事還沒有對你交待，所以你又回來聽取。你所要問的事蔣琬最適合。”李福連忙道歉說：“日前確實不曾詢問，等到您百年之後，誰可以擔負國家重任，所以就又返回。再請問蔣琬之後，誰又可承擔重任？”諸葛亮說：“費禕可以繼任。“李福又問費禕之後誰可接任？諸葛亮沒有回答。[60]同時，諸葛亮也對各將領交代後事，要楊儀和費禕統領各軍撤退。由魏延、姜維負責斷後。不久，諸葛亮在軍營中去世。而楊儀、姜維按照諸葛亮臨終的部署，秘不發喪，整頓軍馬從容撤退。
司馬懿認為諸葛亮已死，率軍追擊，姜維推出雕刻成諸葛亮模樣的木雕並率領大軍回返，司馬懿看到諸葛亮（木雕），認為諸葛亮裝死引誘魏軍出擊，趕緊飛馬撤退，奔行數里，司馬懿數次問左右將領：“吾頭尚在否”？眾將俱回：“尚在”。司馬懿不敢再追趕。於是蜀軍從容退去，進入斜谷後，才訃告發喪，而此事後來也被百姓為之諺曰：“死諸葛走生仲達”，司馬懿聽聞蜀軍在斜谷發喪後自嘲道：“吾便料生，不便料死故也。”其後，司馬懿視察蜀軍遺留的營寨，感嘆說：“諸葛亮真是天下奇才！”[61-62]
身後之事
蜀軍返回成都後，劉禪追諡諸葛亮為忠武侯。[63]諸葛亮遺言命令部下將自己葬在漢中定軍山，依山勢修建墳墓，墓穴僅能容納下棺材。諸葛亮曾經上表指出自己沒有多餘財產，只有800株桑樹和15頃土地，而自己穿的都是朝廷賜封，就算兒子都是自給自足，自己沒有一點多餘的財產。果然，諸葛亮直至死時也是如此，甚至在臨死前，也吩咐了他下葬時只需要挖洞一個，棺木能夠放進去便足夠，自己則穿著平常的服裝即可，不須要其他配葬物。武侯墓在定軍山勉縣。[64]
蜀漢各地多上書請立諸葛亮廟，蜀漢朝堂以此違背禮制不納，於是百姓在四時的節日於道路上私祭諸葛亮。直至景耀六年（263年），在習隆、向充的建議下，劉禪在沔陽為諸葛亮立廟。[65-66]
諸葛亮死後29年，司馬昭派遣鄧艾、鍾會伐蜀。他的長子諸葛瞻和長孫諸葛尚一起在綿竹之戰中戰死沙場