諸葛亮認為，蜀漢的主要對手是魏國。他堅持和東吳保持盟好關係。繼續準備攻打魏國。
公元234年，諸葛亮作好充分準備，發動十萬大軍進行最後一次北伐。他派使者到東吳，約孫權同時發起攻勢，南北策應，使魏國兩面受敵。孫權接到諸葛亮的信，馬上三路出兵進攻魏國。
諸葛亮大軍則出了斜谷口，到了渭水南岸的五丈原。為了作長期打算，他派一部分兵士構築營壘，準備作戰；另派一部分兵士在五丈原屯田，跟當地老百姓夾雜在一起耕種。蜀軍紀律嚴明，百姓和兵士相處得很好。
然而，魏明帝也厲害，他一面親自率領大軍到南面抵擋東吳的進攻；一面派司馬懿率領魏軍渡過渭水，也築起營壘防守，和蜀軍對峙著，並通知司馬懿在五丈原堅持，只守不戰。
多日過後，讓諸葛亮失望的是孫權的進攻失敗了，而司馬懿又始終穩守營壘，諸葛亮幾次三番向他挑戰沒有用。雙方在那裡相持了一百多天。
由於過度辛勞，諸葛亮終於在軍營裡病倒了。沒幾天，這個年紀才五十四歲的丞相終就在軍營裡去世。他去世前囑咐蜀軍將領不要把他去世的消息透露出去。蜀軍將領把他的屍體裹著放在車裡，佈置各路人馬有秩序地撤退。
魏營的探子聽到諸葛亮病死的風聲，報告司馬懿。司馬懿立刻帶領魏軍追趕上去，剛過五丈原，忽然蜀軍的旗幟轉了方向，一陣戰鼓響，兵士們轉身掩殺過來。司馬懿大吃一驚，趕快撥轉馬頭，下命令撤退。等魏軍離得遠了，蜀軍將領才把全部人馬安全撤出五丈原。
後來，司馬懿親自跑到蜀軍原來紮營的地方，觀察了諸葛亮佈置的陣勢，看後不由歎服不已。
雖然諸葛亮想統一中原的願望並沒有實現，但是他的智慧和品格，一直被後代的人讚揚。