在诸葛亮出兵的同时，孙权也发动的全面的北伐作战，曹魏以满宠御之，后魏帝曹睿亲自领兵出击，将孙权逼退。
而在西线战场上，司马懿拒不出战，诸葛亮拿其没有办法，最终病逝五丈原。
在诸葛亮北伐后不久，孙权亦率大兵来到巢湖口，直指合肥新城，号称十万大军；又派遣陆逊、诸葛瑾统率一万余人进入江夏、沔口，进指襄阳；将军孙韶、张承进入淮河，直指广陵、淮阴。
曹魏方面以满宠为主与之对峙，后曹叡亲征东吴，未至，孙权已败走。此时曹睿判断诸葛亮在孙权退后不日夜会退走，于是未去长安，而是南下寿春，大赏功臣。
诸葛亮正面强攻不克，孙权相继退兵之后，依然没有退兵，他反而吸收前几次兵粮不足的教训，担心粮草接济不上，而使自己志愿不得实现，于是将部队分作两部分，一部分就地开荒耕种，作为长期驻扎的基础。耕垦的兵卒杂居在渭河附近的百姓中间，百姓生活安定，军卒所种不谋私，所以蜀汉粮草问题暂时不大，诸葛亮并未放弃这次北伐，就此诸葛亮和司马懿在五丈原一带开始了百余日的僵持。
一次，诸葛亮派虎步监孟琰驻武功水北，适逢水涨，阻断了诸葛亮和孟琰的联系。司马懿趁机出兵进攻孟琰。结果诸葛亮一方面派工兵架桥，一方面派弩兵向司马懿的部队射箭。司马懿看到桥快架好，只好撤退了。（注1）
据《汉晋春秋》记载，诸葛亮来到之后，数次向司马懿挑战，司马懿亦上表请战，明帝派遣卫尉辛毗执持符节为军师来节制司马懿的行动。护军姜维对诸葛亮说：“辛毗持符节来到，贼军不会再出战了。”诸葛亮说：“司马懿本来就无心作战，所以一定要请求出战，是向部众表示敢于用武而已。将领在军中，君主的命令可以不接受，如果他能制胜我军，难道还要远隔千里而请求作战吗？”
关于司马懿请战之事在其余资料中亦有记载。
先是，大将军司马宣王数请与亮战，明帝终不听。是岁恐不能禁，乃以毗为大将军军师，使持节；六军皆肃，准毗节度，莫敢犯违。——《三国志·辛毗传》
宣王数数欲进攻，毗禁不听。宣王虽能行意，而每屈於毗。——《魏略》
《晋书》中关于这段事情也有着比较详细的记载，当时魏朝廷以为诸葛亮远征异域，利在急战，每次命令司马懿持重，等待敌军内部变故。诸葛亮多次挑战，司马懿都不出，诸葛亮于是送给他一幅妇人头巾及首饰之类的东西，以羞辱司马懿。
司马懿得到之后大怒，向天子上表请求决战。天子不许，即派遣刚直之臣辛毗带着天子符节以军师身份控制魏军。后来诸葛亮又来挑战，司马懿将出兵应战，辛毗持节立于军门，他这才退回。当时蜀将姜维听说辛毗来，对诸葛亮说：“辛毗持节至军，贼兵不会再出来了。”诸葛亮说：“司马懿本来就没有应战的打算，所以要坚决请战，只不过是向其士兵表示为将帅的勇武罢了，将在军，君命有所不受，如果他能制服我们，何必到千里之外请战呢？”
司马懿之弟司马孚写信问军中情况，司马懿复信说：“诸葛亮有大志而不能见机行事，多谋略而少决断，好用兵而无权，虽率十万大军，已经坠入我谋划的圈套了，破败蜀军是肯定的了。”
各个资料的相关记载大体吻合，从这些资料中可以看出来，司马懿之所以拒不出战，一方面是对于诸葛亮的军事能力有些忌惮，另一方面和朝廷内部的意见也有着很大的关系，当时作为魏帝的曹睿是反对直接交战的，他采取保守政策，不让司马懿出兵。
在诸葛亮时期，蜀汉一共发动了六次北伐，总体交锋趋势是有利于蜀汉的：
第一次诸葛亮大败亏输，箕谷、街亭和柳城三场作战全部兵败；第二次北伐曹真事先有所预料，派郝昭将诸葛亮挡在了陈仓，诸葛亮粮尽兵退，虽然斩了王双，但还算是小败一场；第三次北伐，诸葛亮闪电发动，曹魏措手不及，成功的收复二郡，逼退郭淮，可以说小胜一场；第四次交锋，曹真大举来袭，损兵折将无功而返，诸葛亮又派魏延等人北上，击败郭淮，费曜，可谓一场大胜；第五次北伐，诸葛亮亲自领兵对抗司马懿，场面占据上风，但最终因为粮尽还没有取得多大成果就不得不退兵，事后还击杀了来追的曹魏大将张郃，这波实际上不亏的。
能看出几次交锋下来，曹魏方面吃了不少的苦头，对于诸葛亮还是忌惮很深的，曹真讨伐诸葛亮失败后，曹魏对于伐蜀的提议更加不感冒了。对于诸葛亮这次北伐，很可能曹睿认为诸葛亮用兵锋锐，曹魏部队未必是其对手，所以干脆就准备熬过去，毕竟诸葛亮几次北伐兵粮上都出了问题。
不过司马懿本人出兵的意向可能也不是很强烈，如果他有把握打败诸葛亮的话，不会说什么作为主帅还要千里请命，不要忘了曹睿可是一度南下寿春的，一来一回时间都浪费完了，他这样做也可能是要体现出一个姿态，并不是真的想打，毕竟当年司马懿讨伐孟达的时候，可没有浪费时间等朝廷的回复，而是急行军打了孟达一个措手不及，将其消灭。
而对于诸葛亮而言，他来到之后，不是没有发起过进攻，但几次出兵都没有什么效果，攻打北原和阳遂都未能如意，在魏军彻底固守、拥有地利的情况下，诸葛亮强行