因为诸葛亮可能是自感时日不多，不久将离去，于是打算做最后一搏，于是放弃了之前先攻克陇右的战略，而是直接选取了斜谷出兵，驻扎在五丈原，与长安隔渭水而相望；
之前诸葛亮的战略意图很明显，就是先攻取陇右地区，夺取这里的土地从而在平坦的地区逼向长安，在彻底占领关中地区，故而之前相攻取了武都、阴平，形成季汉北部防线的完整，并且在第四次北伐大破司马懿，但是由于粮食短缺，所以不得不前功尽弃。
因此，诸葛亮为第五次北伐准备了三年的时间，先是黄沙休兵，随后劝农讲武，开始积攒粮食，训练军队，诸葛亮治国向来是亲力亲为，因此身体日渐消瘦，也许是自感时日不多，可能不会再有之前的去攻取陇右地区的精力了，于是他这次直接将目标选择在了五丈原，打算一次性攻取长安地区；
于是公元234年，诸葛亮集结了十万大军，在斜谷修建了粮仓，以木牛流马运粮，以魏延为先锋，大军向五丈原进军，这便是诸葛亮的最后一战“五丈原之战”。
魏国仍旧是司马懿统兵，他在此战之前就说诸葛亮要是向武功山以东，截断他们与长安的联系，的确可怕，但是要是在五丈原扎营就不必害怕了，其实诸葛亮又何尝不想，但是由于粮道出自斜谷，如果往武功山以东出发，到时候军队粮道将会被敌人所切断，所以诸葛亮也是无可奈何；
季汉之前在陇右地区与司马懿交战，作战空间很大，但是此次在五丈原扎营，地理不像之前那样可以发挥，曾经试图攻占北原和阳燧，但是皆被郭淮所防守，因此无有成果，于是便派遣孟琰过武功水扎营，巩固防线，但是恰好水涨，切断了与孟琰的联系，于是司马懿便率领军队进攻，但孟琰率领虎贲军坚守，诸葛亮一面派人修桥，一面派遣弓弩兵射击，最后司马懿没有达到目的只好撤走。
最后司马懿坚守不战，诸葛亮只好派遣士兵在渭南与百姓一起屯田种粮，与民秋毫无犯，双方坚守了一百多天，即使诸葛亮派人送去女人衣服羞辱司马懿，魏军依旧坚守；
最后诸葛亮在公元234年秋，因病去世，享年54岁，大军由杨仪和姜维率领撤退，司马懿企图追击，但是看见季汉军队掉头后便迅速撤退，世人称“死诸葛惊走生仲达！”
虽然五丈原之战没有取得之前北伐那样理想的成绩，但是唐朝名将李靖却评价道：
廉颇之拒白起，守而不战；宣王之抗武侯，抑而不进，是也。