建兴十二年（234年）春，经过两三年的整顿训练后，诸葛亮再度带领着十万大军，从斜谷出发布阵于渭水的南岸。为了避免粮食缺乏，他便进驻武功之西十里的五丈原，并在此地制定了屯田兵的制度，准备长期作战。同时，他又派使者去吴国商谈，希望与吴国一起出兵抗魏。
诸葛亮屯驻在五丈原后，司马懿也率领着几十万大军，隔着渭水与蜀军对峙。诸葛亮数次派人前去挑战，司马懿不为所动，拒不应战。因此，两军相峙了约三个月。
一天，诸葛亮派遣使者拿了一包女人的衣服和一封信送到魏军的营账给司马懿，以羞辱他的懦弱，司马懿看完这封信后，心里非常不是滋味，却又装作满不在乎的样子。他随口问道：“诸葛亮的作息情形如何呢？”
使者回答说：“丞相非常忙碌，每天要处理许多繁杂的事，每餐吃不到一碗饭。”
司马懿回头对着左右说：“这样怎么能够长寿呢？”
部下回去后，回禀诸葛亮：“司马懿看到送去的东西并没有生气，还很关心地询问了丞相的作息状况。我告诉他丞相事多食少，他却叹息丞相这样很难长寿。”
诸葛亮在担任丞相的这些年中，无论事情大小，他一定要亲自过问，如此长时期的劳心伤神，终于导致他心力交瘁，健康情况一天不如一天。
魏将们对于司马懿无论怎样受辱都不应战深表不满，纷纷前往请战：“我们为什么要在此受蜀人的羞辱呢？希望能够尽快出兵，与蜀军一决雌雄。”
司马懿敷衍着说：“并不是我不愿意出兵，而是天子明诏，令我们按兵不动。如果轻举妄动，则是违背君命，你们既想出战，不妨等我奏准天子后，再同力赴敌如何?”
众将答应后，司马懿便派使者送表前往合肥给魏主曹睿，曹睿知道司马懿是因为无法压抑部属激动的情绪，才上表请命，因此便派辛毗持节传谕司马懿不得出战。
蜀将知道了这件事后，便报告诸葛亮，诸葛亮说：“司马懿本来不敢出战，但是拗不过将士们的愤怒之情，便假借曹睿的意思来制伏众人。如今他们传出这个罢战的消息，还不是想瓦解我方的战斗力？”
群将正在谈论此事，忽然传报费袆到，诸葛亮请他入内，费袆禀告说：“大事不妙了！魏主曹睿听说吴国由三路进兵，乃亲自率领大军驻扎在合肥，并派满宠、田豫、刘劭分别带领士兵迎敌。满宠还用计将东吴的军粮器备统统烧光，如今吴国已经溃不成军了。”诸葛亮听到这个消息，心情非常沉重，昏了过去。
原先吴国和蜀国约定，要由东西两面进攻，让魏军腹背受敌，以便合力消灭他。如今吴军半路无功而退，原先的计划遭到破坏。蜀国从而陷入艰苦的孤军战斗中。
诸葛亮的病情越来越严重，他知道自己的生命将走到尽头。在思索了一番后，诸葛亮独留下部将姜维，悲戚地对他说：“我本想竭忠尽力，恢复中原，重兴汉室，可惜我只剩下了今天的寿命了。我平生所学，已著书二十四篇，内容包括八务、七戒、六恐、五俱之法。据我观察，只有你可以传授，你一定要尽心学习，不要辜负我。”姜维感激涕零地答应了。
诸葛亮又说：“蜀中各条道路，全都不必多忧，只是阴平地区，千万需要当心。这个地方极为险峻，时间久了肯定会出事。”姜维点点头出去了。
后主刘禅得到诸葛亮病重的消息，急忙命尚书李福当晚就起程到军中去探望诸葛亮。
李福日夜兼程来到五丈原，入帐见诸葛亮，传后主之命。问安过后，诸葛亮流着眼泪说：“我不幸在大业未成的半途死去，虚废了国家大事，有负于天下。我死以后，你们要尽忠尽力，辅佐后主。国家以前的制度不要改变，我所用过的人，也不可轻易废掉。我的用兵之法都已传授给了姜维，他自会继承我的遗志，为国出力。”
诸葛亮又叫人取来文房四宝，坐在病榻上给刘禅上表，不忘劝诫后主：清心寡欲，约己爱民，达孝道于先皇，布仁恩于宇下。提拔幽隐，以进贤良；屏斥奸邪，以厚风俗。
诸葛亮写完，又嘱咐杨仪说：“马岱、王平、廖化、张翼、张嶷，这几个人都是忠心耿耿，可堪重用。我死之后，凡事都要按照旧法进行，缓缓退兵，不可急躁。你深通谋略，不必我多说。至于姜维智勇兼备，可派他在队后压阵。我死之后，不要发丧。让后面的军队先行，然后一个营一个营地慢慢撤退。如果司马懿追来，你可以布成阵势，回旗返鼓与他对垒。等他来到时，就把我先前所雕的我的木像安放在轿中，推到两军阵前，令大小将士分列左右，一定会把司马懿给惊走。”杨仪一一答应了。
诸葛亮勉强支撑着病体，要左右侍从将他扶上小车，派人驾车出城遍巡各营。
建兴十二年（234年）八月，诸葛亮怀着没有完成统一事业的无限遗憾之情，病死在五丈原，时年54岁。
这天夜里，姜维、杨仪遵诸葛亮之命，不敢举哀，并依诸葛亮遗嘱成殓，将诸葛亮的骨灰安置在龛中，令心腹将士守护，然后传密令，各处营寨悄然无声，一一撤出。
司马懿探查到五丈原蜀营中已空无一人，猜测诸葛亮已死，便忙亲自引兵来追。到山脚下，只见蜀军就在前方，他更加奋力追去。这时忽然山后一声炮响，喊声大震，只见蜀军全部回旗返鼓，树影中飘出中军大旗，上面写着一行大字——汉丞相诸葛亮。司马懿不由大惊失色，定睛看时，只见中军几十员上将，拥出一辆四轮车来，车上端坐着诸葛亮，羽扇纶巾。
司马懿大乎上当，急忙往回逃走。背后只听姜维大声叫喊：“贼将休走，你中了我们丞相的计！”魏兵顿时吓得魂飞魄散，丢盔弃甲，乱作一团，死伤无数。
过了两天，乡民们互相交谈说，蜀兵退入谷中之时，哀声震地，军中扬起白旗，前日车上的诸葛亮其实是木人。司马懿听说后叹道：“我能料诸葛亮生，却不能料诸葛亮死也！”因此蜀中人有这样一句谚语：死诸葛惊走活仲达。
诸葛亮病危的时候，曾与杨仪和司马费等安排死后退军的调度，命令魏延殿后阻击追敌，姜维作为副将；如果魏延不服从命令，军队便自行出发。诸葛亮去世后，杨仪秘而不发丧，还让司马费去魏延处揣度他的意向。魏延对司马费说：“丞相虽然去世，还有我在。相府亲信和官属等人便可将遗体送还归葬，我自当亲自统率各路大军攻击贼军。怎么能因一人死去而废弃天下的大事呢？何况我魏延是何等人，就应当被杨仪约束，作断后的将军吗？”他就私自和司马费作出撤退和留下的安排，还让司马费亲笔写信，连同自己签名传告下面将领。
司马费欺骗魏延说：“我还应该回去向杨仪解释，杨仪是个文官，很少经历军事，一定不会违抗尊命。”司马费出来后，策马奔驰而去。
杨仪等人打算按照诸葛亮既定的计划，各军营依次带领部队撤还。魏延派人探听到这个消息后勃然大怒，抢在杨仪没有发兵之前率领所属部队径先南归，所过之处烧绝栈道。魏延、杨仪各自上表说对方叛逆，一天之内，羽书一并送到都城。
汉后主以此事询问侍中董允、留府长史蒋琬，董允、蒋琬都担保杨仪而怀疑魏延。
杨仪等人命令砍伐山林打通道路，日夜兼程行进，紧随在魏延之后。
魏延占据南谷口派兵迎击杨仪等人，杨仪命将军何平在前面抵御魏延。何平叱责先登上南谷口的士兵说：“诸葛公死，尸骨未寒，你们怎能如此！”魏延的部众知道魏延理亏，不愿为他卖命，都四散逃走。魏延和他的儿子逃奔汉中，杨仪派遣将领马岱追杀他们，最终诛灭魏延三族。
除掉魏延后，杨仪等人便把诸葛亮的灵柩送回到成都。
后主刘禅带文武官员，全部挂孝，出城二十里迎接诸葛亮的灵柩。
十月，刘禅亲自送灵柩到定军山安葬，降旨封诸葛亮谥号忠武侯，又令在沔阳为其建庙，四时享祭。