在諸葛亮出兵的同時，孫權也發動的全面的北伐作戰，曹魏以滿寵御之，後魏帝曹睿親自領兵出擊，將孫權逼退。
而在西線戰場上，司馬懿拒不出戰，諸葛亮拿其沒有辦法，最終病逝五丈原。
【孫權退兵】
在諸葛亮北伐後不久，孫權亦率大兵來到巢湖口，直指合肥新城，號稱十萬大軍；又派遣陸遜、諸葛瑾統率一萬餘人進入江夏、沔口，進指襄陽；將軍孫韶、張承進入淮河，直指廣陵、淮陰。
曹魏方面以滿寵為主與之對峙，後曹叡親征東吳，未至，孫權已敗走。此時曹睿判斷諸葛亮在孫權退後不日夜會退走，於是未去長安，而是南下壽春，大賞功臣。
【僵持五丈原】
諸葛亮正面強攻不克，孫權相繼退兵之後，依然沒有退兵，他反而吸收前幾次兵糧不足的教訓，擔心糧草接濟不上，而使自己志願不得實現，於是將部隊分作兩部分，一部分就地開荒耕種，作為長期駐紮的基礎。耕墾的兵卒雜居在渭河附近的百姓中間，百姓生活安定，軍卒所種不謀私，所以蜀漢糧草問題暫時不大，諸葛亮並未放棄這次北伐，就此諸葛亮和司馬懿在五丈原一帶開始了百餘日的僵持。
一次，諸葛亮派虎步監孟琰駐武功水北，適逢水漲，阻斷了諸葛亮和孟琰的聯絡。司馬懿趁機出兵進攻孟琰。結果諸葛亮一方面派工兵架橋，一方面派弩兵向司馬懿的部隊射箭。司馬懿看到橋快架好，只好撤退了。（注1）
據《漢晉春秋》記載，諸葛亮來到之後，數次向司馬懿挑戰，司馬懿亦上表請戰，明帝派遣衛尉辛毗執持符節為軍師來節制司馬懿的行動。護軍姜維對諸葛亮：“辛毗持符節來到，賊軍不會再出戰了。”諸葛亮：“司馬懿本來就無心作戰，所以一定要請求出戰，是向部眾表示敢於用武而已。將領在軍中，君主的命令可以不接受，如果他能制勝我軍，難道還要遠隔千里而請求作戰嗎？”
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關於司馬懿請戰之事在其餘資料中亦有記載。
先是，大將軍司馬宣王數請與亮戰，明帝終不聽。是歲恐不能禁，乃以毗為大將軍軍師，使持節；六軍皆肅，準毗節度，莫敢犯違。——《三國志·辛毗傳》
宣王數數欲進攻，毗禁不聽。宣王雖能行意，而每屈於毗。——《魏略》
《晉書》中關於這段事情也有著比較詳細的記載，當時魏朝廷以為諸葛亮遠征異域，利在急戰，每次命令司馬懿持重，等待敵軍內部變故。諸葛亮多次挑戰，司馬懿都不出，諸葛亮於是送給他一幅婦人頭巾及首飾之類的東西，以羞辱司馬懿。
司馬懿得到之後大怒，向天子上表請求決戰。天子不許，即派遣剛直之臣辛毗帶著天子符節以軍師身份控制魏軍。後來諸葛亮又來挑戰，司馬懿將出兵應戰，辛毗持節立於軍門，他這才退回。當時蜀將姜維聽辛毗來，對諸葛亮：“辛毗持節至軍，賊兵不會再出來了。”諸葛亮：“司馬懿本來就沒有應戰的打算，所以要堅決請戰，只不過是向其士兵表示為將帥的勇武罷了，將在軍，君命有所不受，如果他能制服我們，何必到千里之外請戰呢？”
司馬懿之弟司馬孚寫信問軍中情況，司馬懿覆信：“諸葛亮有大志而不能見機行事，多謀略而少決斷，好用兵而無權，雖率十萬大軍，已經墜入我謀劃的圈套了，破敗蜀軍是肯定的了。”
各個資料的相關記載大體吻合，從這些資料中可以看出來，司馬懿之所以拒不出戰，一方面是對於諸葛亮的軍事能力有些忌憚，另一方面和朝廷內部的意見也有著很大的關係，當時作為魏帝的曹睿是反對直接交戰的，他採取保守政策，不讓司馬懿出兵。
【曹魏策略】
在諸葛亮時期，蜀漢一共發動了六次北伐，總體交鋒趨勢是有利於蜀漢的：
第一次諸葛亮大敗虧輸，箕谷、街亭和柳城三場作戰全部兵敗；第二次北伐曹真事先有所預料，派郝昭將諸葛亮擋在了陳倉，諸葛亮糧盡兵退，雖然斬了王雙，但還算是敗一場；第三次北伐，諸葛亮閃電發動，曹魏措手不及，成功的收復二郡，逼退郭淮，可以勝一場；第四次交鋒，曹真大舉來襲，損兵折將無功而返，諸葛亮又派魏延等人北上，擊敗郭淮，費曜，可謂一場大勝；第五次北伐，諸葛亮親自領兵對抗司馬懿，場面佔據上風，但最終因為糧盡還沒有取得多大成果就不得不退兵，事後還擊殺了來追的曹魏大將張郃，這波實際上不虧的。
能看出幾次交鋒下來，曹魏方面吃了不少的苦頭，對於諸葛亮還是忌憚很深的，曹真討伐諸葛亮失敗後，曹魏對於伐蜀的提議更加不感冒了。對於諸葛亮這次北伐，很可能曹睿認為諸葛亮用兵鋒銳，曹魏部隊未必是其對手，所以乾脆就準備熬過去，畢竟諸葛亮幾次北伐兵糧上都出了問題。
不過司馬懿本人出兵的意向可能也不是很強烈，如果他有把握打敗諸葛亮的話，不會什麼作為主帥還要千里請命，不要忘了曹睿可是一度南下壽春的，一來一回時間都浪費完了，他這樣做也可能是要體現出一個姿態，並不是真的想打，畢竟當年司馬懿討伐孟達的時候，可沒有浪費時間等朝廷的回覆，而是急行軍打了孟達一個措手不及，將其消滅。
而對於諸葛亮而言，他來到之後，不是沒有發起過進攻，但幾次出兵都沒有什麼效果，攻打北原和陽遂都未能如意，在魏軍徹底固守、擁有地利的情況下，諸葛亮強行出兵基本沒有勝算的，畢竟曹魏方面準備充分，魏國國力也要比蜀漢強的多，司馬懿、郭淮等人也都不是什麼易於之輩，所以諸葛亮只能期待和曹魏正面對決。
在強攻無果，正面對決無望，魏軍死守的情況下，諸葛亮也是無計可施，這換誰過來實話也都一樣。諸葛亮在這種情況下仍然沒有退兵，而是拖了下來，他決心和司馬懿熬到底，等待時機的到來。