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 。魏、蜀两军相峙了百多日 ， 其间诸葛亮多次派人挑战 ， 司马懿军始终坚守不出 。其后诸葛亮故意让人带一套女人的衣服、头巾送给司马懿 ， 表示司马懿就像女人一样 。魏军将领见此情形都火冒三丈 ， 纷纷要求出战 ， 为了搪塞将领们的要求 ， 司马懿假意上表给魏明帝请战 。曹睿便派卫尉辛毗为军师 ， 到前线节制司马懿 。
司马懿曾向蜀汉使者询问诸葛亮的睡眠、饮食和办事多少 ， 不打听军事情况 ， 使者答道：“诸葛公早起晚睡 ， 凡是二十杖以 上的责罚 ， 都亲自披阅；所吃的饭食不到几升 。”司马懿告诉人说：“诸葛孔明进食少而事务烦 ， 他还能活多久呢！”
诸葛亮乃分兵屯田 ， 在魏国境内与魏国百姓共同种粮自给自足 ， 打算长期驻扎下去 ， 但诸葛亮却因过于操劳而病重 。病重而逝
八月 ， 诸葛亮病情日益恶化 。司马懿趁诸葛亮病重不能统军 ， 于是亲自率军袭击蜀军后方 ， 斩五百余人 ， 获牲口千余头 ， 降者六百余人 。诸葛亮病重之际 ， 蜀主刘禅派遣尚书仆射李福前来军前问候 ， 同时询问国家大事 。李福与诸葛亮谈话完毕 ， 辞别而去 ， 几天之后又回来 。诸葛亮说：“我知道您回来的意图 ， 近来你虽然整天与我交谈 ， 但有些事还没有对你交待 ， 所以你又回来听取 。你所要问的事蒋琬最适合 。”李福连忙道歉说：“日前确实不曾询问 ， 等到您百年之后 ， 谁可以担负国家重任 ， 所以就又返回 。再请问蒋琬之后 ， 谁又可承担重任？”诸葛亮说：“费祎可以继任 。“李福又问费祎之后谁可接任？诸葛亮没有回答 。同时 ， 诸葛亮也对各将领交代后事 ， 要杨仪和费祎统领各军撤退 。由魏延、姜维负责断后 。不久 ， 诸葛亮在军营中去世 。而杨仪、姜维按照诸葛亮临终的部署 ， 秘不发丧 ， 整顿军马从容撤退 。
司马懿认为诸葛亮已死 ， 率军追击 ， 姜维推出雕刻成诸葛亮模样的木雕并率领大军回返 ， 司马懿看到诸葛亮（木雕） ， 认为诸葛亮装死引诱魏军出击 ， 赶紧飞马撤退 ， 奔行数里 ， 司马懿数次问左右将领：“吾头尚在否”？众将俱回：“尚在” 。司马懿不敢再追赶 。于是蜀军从容退去 ， 进入斜谷后 ， 才讣告发丧 ， 而此事后来也被百姓为之谚曰：“死诸葛走生仲达” ，司马懿听闻蜀军在斜谷发丧后自嘲道：“吾便料生 ， 不便料死故也 。”其后 ， 司马懿视察蜀军遗留的营寨 ， 感叹说：“诸葛亮真是天下奇才” 。身后之事
蜀军返回成都后 ， 刘禅追谥诸葛亮为忠武侯 。诸葛亮遗言命令部下将自己葬在汉中定军山 ， 依山势修建坟墓 ， 墓穴仅能容纳下棺材 。诸葛亮曾经上表指出自己没有多余财产 ， 只有800株桑树和15顷土地 ， 而自己穿的都是朝廷赐封 ， 就算儿子都是自给自足 ， 自己没有一点多余的财产 。果然 ， 诸葛亮直至死时也是如此 ， 甚至在临死前 ， 也吩咐了他下葬时只需要挖洞一个 ， 棺木能够放进去便足够 ， 自己则穿着平常的服装即可 ， 不须要其他配葬物 。武侯墓在定军山勉县 。
蜀汉各地多上书请立诸葛亮庙 ， 蜀汉朝堂以此违背礼制不纳 ， 于是百姓在四时的节日于道路上私祭诸葛亮 。直至景耀六年（263年） ， 在习隆、向充的建议下 ， 刘禅在沔阳为诸葛亮立庙 。
诸葛亮死后29年 ， 司马昭派遣邓艾、钟会伐蜀 。他的长子诸葛瞻和长孙诸葛尚一起在绵竹之战中战死沙场 。
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