第一次北伐失利後，諸葛亮短期內本來並不準備再次發動作戰，然而計劃不如變化快，東吳大破曹休之後，諸葛亮看了機會，於是乘火打劫，再次北伐。
然而這一仗曹魏方面早有準備，曹真早就在陳倉佈局防守，諸葛亮無功而返，第二次北伐也沒有結果。
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【再次出兵】
據《漢晉春秋》記載，第一次北伐失利後，有人勸諸葛亮再次發兵，諸葛亮卻：“大軍在祁山、箕谷的時候，都多於敵軍（注1），但沒有打敗敵人，反而被敵人打敗，問題不在於兵少，而在於將領。現在我打算減少兵將，顯明責罰，反思過失，將來另想變通的辦法。如果不能這樣，即使兵多也沒有什麼用處！從今以後，凡是一心為國家分憂效忠的人，只要多多批評我的過錯，那麼大事就可以安定，敵人就可以打垮，大功就可蹺足而待了。”
於是考察有功將士，連微的功勞也不遺漏，對壯烈之士，一一加以甄別，引過自責，把自己的過失在境內公開宣佈，練兵講武，準備將來進取。將士精簡幹練，民眾於是忘記既往的兵敗了。
也就是諸葛亮在第一次北伐失利後，本來是先準備反思一下，沒有想短時間內再次出兵，然而後來曹休兵敗，魏軍東下，關中虛弱，諸葛亮於是打算出兵攻魏，這也就是第二次北伐的背景。
【無奈退兵】
然而道高一尺魔高一丈，諸葛亮想趁火打劫，曹魏也早有準備。曹真在平定三郡之後，認為諸葛亮以後必攻陳倉，於是命將軍郝昭、王生守陳倉，修築城池。
建興六年（8）冬，諸葛亮發動第二次北伐，出兵散關圍陳倉，為魏將郝昭所拒，諸葛亮勸降不成，而又糧草不繼，曹魏援軍也快到來，諸葛亮於是不得已退還漢中。魏將王雙來追，被斬。
諸葛亮包圍陳倉後，先是派郝昭同鄉靳詳於城外數次遊郝昭投降，但被郝昭堅決拒絕了。此事在《魏略》裡有記載。
諸葛亮包圍陳倉後，讓郝昭同鄉人靳詳在城外遠遠地勸降，郝昭在城樓上對靳詳：“魏國的律法，你是熟悉的，我的為人，你是瞭解的。我深受國恩而且門第崇高，你不必多，只有一死而已。你回去告訴諸葛亮，就來攻打吧。”靳詳把郝昭的話告訴了諸葛亮，諸葛亮又讓靳詳再次勸告郝昭，：“兵眾懸殊，抵擋不住，何必白白自取毀滅。”郝昭對靳詳：“前面已定了，我認識你，箭可不認識你。”靳詳只好返回。
當時諸葛亮自以為幾萬兵馬，而郝昭才有一千多兵眾，又估計東來的救兵未必就能趕到，於是進軍攻打郝昭，先用雲梯、衝車攻城，郝昭便用火箭射雲梯，當雲梯燃燒時，梯上的人便被燒傷，郝昭又用繩子系上石磨，擲擊漢軍的衝車，衝車被擊毀。諸葛亮就又製做了百尺高的井字形木欄（井闌），以向城中射箭，用土塊填塞護城的壕溝，想直接攀登城牆；郝昭又在城內築志一道城牆，令井闌失效。諸葛亮又挖地道，想從地道進入城裡，郝昭又在城內挖橫向地道進行攔截。諸葛亮又用衝車，但被打折。
這場戰爭是中國歷史上記載的第一次使用火的箭的記錄，關於這場戰爭的記載，也成了漢語“火箭”一詞在歷史上的首次出現。
晝夜攻守相持了二十多天，諸葛亮仍無法攻下，此時曹真派遣費曜（即費瑤）領援軍到來，諸葛亮唯有退軍。
得知諸葛亮再次出兵後，曹叡派驛馬召張郃到京師，還親自到河南縣城，設定酒宴為張郃送行，討伐諸葛亮。
曹叡派遣三萬士兵以及武衛、虎賁兩營的勇士護衛張郃，還問張郃：“等將軍到了前線，諸葛亮會不會已經佔領了陳倉？”張郃知道諸葛亮孤軍深入，不會攜帶太多的糧草，不能久攻，就回答：“估計臣還沒到前線諸葛亮就已經撤走了。臣屈指計算，諸葛亮的糧草支撐不了十天。”張郃晝夜行軍到達南鄭，諸葛亮果然撤退了。
雖然諸葛亮無功而返，但也不是毫無戰果，曹魏大將王雙領兵追擊諸葛亮，結果被諸葛亮反殺，就此被蜀漢拿了一血。王雙此人雖然在曹魏內部有些地位，然而軍事能力並不強，早先在曹丕三路大軍大舉南下時隨曹仁出戰就被吳軍俘虜，這次乾脆追擊不成反而丟了性命。
【失敗的原因】
諸葛亮第二次北伐雖然再次以失敗而告終，但實際上損失很。和頭次北伐不一樣，這次北伐本身就是一個投機行動，諸葛亮之前並沒有做好冬季作戰的準備，他是看到曹休兵敗，魏軍南下，關中虛弱的情況才臨時出兵的。
這也是第二次北伐失敗的第一個原因，諸葛亮本身準備不足，糧草補給也不夠，所以諸葛亮僅包圍陳倉不到一個月，就補給不足，被迫退兵了。
除了諸葛亮本身的原因之外，曹魏集團早就有所準備也是諸葛亮失敗的一個重要原因。在諸葛亮第一次北伐震驚隴右之後，曹魏內部已經對於蜀漢開始有所防備，作為曹魏的大將軍曹真就很明白陳倉的重要性，並且早早的就派郝昭等人在此固守，所以郝昭雖然兵力不多，但準備充分，導致諸葛亮短時間內無法拿下陳倉，第二次北伐就此夭折。
【戰後封賞】
此戰之後，魏明帝曹睿對於曹真、張郃以及郝昭等功臣都進行了封賞。對於曹真增邑，並前二千九百戶，詔令張郃回師京城，任命他為徵西車騎將軍。
對於郝昭，魏明帝不僅下詔褒獎其善於守城，並賜爵關內侯，回到洛陽後，魏明帝還親自接見了他，對中書令孫資：“你的鄉里居然有這般豪爽的人，為將灼如此，朕還有什麼可憂慮的呢？”更打算重用他，然而不久郝昭就病重了，最終去世。
注1：曹真當時是曹魏的大將軍，他麾下部隊可以就是主力部隊了，趙雲的部隊只能是偏師，實力上應該不如曹真的，這裡記載可能有誤。