就在这一年，还发生了一件大事，孙权在东吴称帝了。孙权的大臣们跑到蜀汉，想让蜀汉承认孙权的皇帝名号，继续保持吴蜀联盟。蜀汉这边很多大臣一听就炸锅了，都觉得跟孙权这种 “僭越称帝” 的人交往没什么好处，从名分和礼仪上来说也不合适，应该直接表明立场，跟东吴断绝联盟关系。
诸葛亮却有不同的看法，他对大家说：“孙权早就有称帝的心思了，咱们一直没跟他计较，就是想借助东吴的力量，和咱们形成掎角之势，一起对抗曹魏。要是现在跟他彻底决裂，孙权肯定会把咱们当成死对头，到时候他就会把兵力调到东边来对付咱们。咱们就得和东吴拼个你死我活，非得把东吴的地盘全打下来，才能腾出手去北伐曹魏。可东吴那边人才济济，将相之间也很团结，不是短时间能打败的。要是咱们和东吴陷入持久战，双方耗在那儿，等咱们把东吴摆平了，曹魏说不定早就壮大得没法收拾了，这可不是什么好计策。
“以前汉文帝对匈奴态度谦卑，先帝刘备也主动和东吴结盟，这都是根据实际情况灵活应变，为了长远利益考虑，可不是一时冲动。现在大家都觉得吴蜀魏三国鼎立，谁也不能齐心协力，还觉得孙权当了皇帝，就没心思北伐了，我看这些想法都不靠谱。为啥这么说呢？因为东吴的实力比不上曹魏，所以只能靠着长江天险自保。孙权没法渡过长江攻打曹魏，就像曹魏没法渡过汉水攻打咱们一样，不是他们不想扩张，而是实力不允许啊。
“要是咱们北伐曹魏，孙权往好了想，会和咱们一起瓜分曹魏的地盘；往坏了想，也会在国内显示武力，扩张领土。就算他按兵不动，只要和咱们保持友好关系，咱们北伐的时候，就不用担心东边有后顾之忧，曹魏也不敢把河南的兵力全调到西边来对付咱们，这对咱们好处可太大了。所以啊，孙权称帝这件事，咱们没必要公开指责他。” 大家听了诸葛亮的分析，都觉得很有道理。于是，蜀汉派卫尉陈震前往东吴，祝贺孙权称帝，继续维持吴蜀联盟。
建兴九年，诸葛亮又一次出兵祁山。这次，他用上了新发明的 “木牛” 来运送粮草，大大提高了运输效率。诸葛亮一边进军，一边派人联络鲜卑族的首领轲比能，邀请他一起对抗曹魏。轲比能也想趁机捞点好处，就带着人马来到故北地石城，响应诸葛亮。
曹魏这边，大司马曹真正好生病，没办法带兵出征。魏明帝曹叡急得不行，赶紧把在荆州的司马懿召回朝廷，对他说：“西边诸葛亮来势汹汹，这事儿太重要了，除了你，我实在找不到更合适的人去应对。” 于是，司马懿被派到长安驻扎，负责指挥张合、费曜、戴陵、郭淮等将领，抵御诸葛亮。
司马懿到了前线，安排费曜、戴陵带着四千精兵守在上邽，自己则率领其他军队，向西救援祁山。张合觉得应该分兵驻守雍县和郿县，以防蜀军突袭，就跟司马懿说：“要是前锋部队能单独抵挡蜀军，将军您就按原计划进军；要是抵挡不住，还把兵力分成前后两部分，就像当年楚国的三军被黥布击败那样，太危险了。” 但司马懿没听张合的建议，坚持率军前进。
诸葛亮得知魏军动向，分出一部分兵力继续攻打祁山，自己则亲自率领大军，在上邽迎战司马懿。郭淮、费曜等人想半路拦截诸葛亮，结果被诸葛亮打得大败。蜀军趁机收割了上邽附近的麦子，补充军粮。之后，蜀军和司马懿的军队在上邽东边相遇，诸葛亮指挥军队占据险要地形，坚守不出。司马懿找不到机会进攻，双方僵持不下，诸葛亮看一时难以取胜，就主动撤军了。
司马懿不肯轻易放过诸葛亮，一路追击到卤城。张合劝说道：“蜀军远道而来找咱们决战，咱们一直不应战，他们肯定觉得咱们不敢打，想跟他们耗下去。现在祁山守军知道咱们的大军快到了，军心已经稳定下来。咱们不如就在这儿驻扎，分出一支奇兵，绕到蜀军后面，打他们个措手不及。要是一直畏缩不前，不敢逼近蜀军，不仅会错失战机，还会让老百姓失望啊。而且诸葛亮孤军深入，粮草不多，肯定坚持不了多久，很快就会撤退的。” 可司马懿还是不听，继续追着诸葛亮。
到了卤城，司马懿也不主动进攻，只是在山上扎营，坚守不出。贾栩、魏平这些将领急得不行，多次请求出战，还抱怨说：“您怕蜀军就像怕老虎一样，这传出去，让天下人笑话啊！” 司马懿被大家说得心里很不是滋味，但还是犹豫不决。其他将领也都纷纷请战，司马懿实在顶不住压力，五月辛巳这天，他派张合去攻打南围的蜀将何平，自己则率领大军从中间的道路向诸葛亮发起进攻。
诸葛亮早有准备，立刻派魏延、高翔、吴班带兵迎敌。蜀军将士们憋了一肚子火，一见到魏军，就像猛虎下山一样勇猛。这一战，蜀军大获全胜，斩杀了三千多魏军，缴获了五千领玄铠、三千一百张角弩。司马懿吃了大败仗，只好灰溜溜地撤回营地防守。
后来，蜀军的粮草又快吃完了，诸葛亮无奈之下，只能再次下令撤军。曹魏这边，张合率领军队追击蜀军。诸葛亮料到张合会追来，提前设下埋伏。当张合追至木门道时，蜀军万箭齐发，张合躲避不及，被乱箭射死。
还有这么一段故事（不过真实性有待考证）。据说魏明帝曹叡亲自带兵征讨蜀汉，到了长安后，派司马懿指挥张合等将领，率领雍州、凉州的三十多万精锐部队，秘密行军，准备攻打剑阁。当时诸葛亮在祁山，蜀军虽然旗帜鲜明、武器精良，守住了险要关口，但按照军队的轮休制度，有一部分士兵该换防休息了，留在战场上的只有八万人。
魏军刚摆开阵势，双方士兵正要交锋，诸葛亮的手下官员们一看魏军人数众多、来势汹汹，都觉得以蜀军现有的兵力，很难抵挡，建议暂时把该换防的士兵留下一个月，等兵力充足了再和魏军决战。诸葛亮却摇摇头说：“我带兵打仗，最看重的就是诚信。当年晋文公为了守信，宁可放弃原城，古人都这么重视诚信，咱们怎么能为了眼前的战事就失信于人呢？那些该走的士兵都收拾好行李，盼着回家和家人团聚，他们的妻子儿女也在家天天数着日子等他们。就算现在形势危急，咱们也不能违背道义。” 说完，诸葛亮就催促该换防的士兵赶紧启程回家。
那些要走的士兵特别感动，都主动要求留下来和魏军拼杀；留下来的士兵也士气高涨，发誓要为诸葛亮效死命。大家互相鼓励说：“诸葛公对咱们这么好，就算死了，也报答不完他的恩情啊！”
到了决战时刻，蜀军将士无不奋勇争先，个个都拿出以一当十的气势，战场上杀张合、退司马懿，取得一场大胜。不过有人对此提出质疑：我（裴松之）考证发现，诸葛亮之前出兵祁山的时候，魏明帝确实亲自到了长安，但在这一年并没有再来。而且当时诸葛亮的大军就在关陇一带，魏军怎么可能绕过蜀军直接奔向剑阁呢？诸葛亮身在战场，本来就没有久留的打算，打完仗就带兵回蜀地，所以前面那种说法根本不符合常理。孙盛、习凿齿四处搜集各种史料，几乎没有遗漏，但他们都没有记载相关内容，由此可见这种说法错漏百出。
建兴十二年春天，诸葛亮率领全部大军从斜谷出发，用流马运输粮草，占据了武功的五丈原，与司马懿的魏军在渭水南岸对峙。诸葛亮一直担心粮草供应不上，导致自己无法实现北伐的壮志，于是分出一部分士兵开垦荒地、种植粮食，打算在这里长期驻扎。蜀军士兵和渭水岸边的百姓混在一起耕种，百姓的生活丝毫不受影响，蜀军也没有侵扰百姓的行为。《汉晋春秋》记载：诸葛亮到了之后，多次向魏军挑战。司马懿也上奏魏明帝，坚决请求出战。魏明帝派卫尉辛毗手持符节去制止他。姜维对诸葛亮说：“辛毗拿着符节来了，魏军肯定不会再出战了。” 诸葛亮说：“他们本来就不想打仗，之所以坚持请求出战，不过是想在士兵面前显示自己有战斗的决心罢了。将领在外带兵打仗，有时候可以不接受君主的命令，如果他们真有办法打败我，何必大老远去请求出战呢！”《魏氏春秋》记载：诸葛亮派使者去魏军大营，只问司马懿的饮食起居和事务繁简，却不打听军事方面的情况。使者回答说：“诸葛公每天起得早、睡得晚，只要是惩罚二十军棍以上的事情，都要亲自处理；他每天吃的饭还不到几升。” 司马懿听了之后说：“诸葛亮恐怕活不了多久了。”