229年春天，诸葛丞相也在努力，遣陈式进攻武都、阴平。曹魏大将郭淮领兵来救，诸葛丞相率军驻扎建威牵制。
此时的太平军刚刚开始打东吴，种云和诸葛丞相还在互相摸底，他也不知道汉军的实力到底如何，北伐会不会有变化。
魏军知道汉军主力到临，便紧急撤退，汉军顺利占领二郡。
诸葛丞相安抚了当地的氐人、羌人，然后留兵据守，他率军回汉中，军屯后勤很重要。
因成功夺取二郡，刘禅再次恢复诸葛丞相为丞相。冬天，徙府营至南山下的平原，建筑汉、乐二城，加强汉中防守。
从这次北伐看，诸葛丞相北伐就是战略，并没有孤注一掷的意思，种云放心了，继续专心对付东吴大军。
建兴八年（230年）七月，曹魏想转守为攻，大司马曹真上表伐蜀议案，司空陈群认为斜谷太险阻，难以进退，于是曹真率主力军改为由子午道进发。
陈泰率军从汉水而上，欲与曹真军会师汉中，张郃从褒斜道进兵，直指汉中。
诸葛丞相在汉中，魏军来攻，立即加强城固、赤阪等要地的防守，要李严率二万人赶赴汉中阻击敌人，李严子李丰为江州都督，防卫后方。
夏侯霸先大军一步，进至兴势，在曲折的谷中下营。被蜀地百姓看到。夏侯霸在鹿角间战斗，最后援军到达，汉军看无法消灭曹军，开始后退，夏侯霸才得以解围。
因蜀地艰险，期间遇上下了三十天的大雨，栈道断绝，曹真用了一个月，才走了一半路程。
曹真预想的计划不能成功，陈群的计划也没有可能，这次属于起了个大早，搞了个晚集，啥也没做到，浪费粮食。
在朝中，华歆、杨阜、王肃都上疏劝魏明帝下诏撤军，至九月，三路大军受诏撤退。
不过曹真也不算失败，天时不对，他也没有办法，曹魏皇帝也能理解，没有怪罪的意思。
同年，诸葛亮派魏延、吴壹入南安，于阳溪大破魏将郭淮、费曜等。
231年春天，诸葛丞相利用天时地利，乘曹魏雍凉地区半年没有下雨，再次进行北伐，以木牛运粮，包围祁山堡，并在祁山堡东北修建卤城作为蜀军大营。
诸葛丞相还联合鲜卑人轲比能，起兵到石城响应汉军。
曹魏因大将曹真病重，曹叡改派司马懿为统帅屯于长安，领张郃、费曜、戴陵、郭淮等人抵抗。
司马懿先派费曜、戴陵与四千精兵前往上邽防守，率其他兵力随后前进。
张郃认为该分兵驻守雍、郿，司马懿认为若分军不及合军有利，便向西推进。
诸葛丞相觉得机会来了，留下王平继续领军攻打祁山堡，率主力北上上邽。到达附近麦田，只对麦田进行了芟除破坏。
郭淮戴凌为保护麦田，仅率四千人主动进攻诸葛丞相的主力部队，为所破，仅四千人主动进攻又颇为费解，不过后勤战争不得已为之。
司马懿军也为保护麦田，日夜兼程急行军抵达上邽之东，曹军深知汉军劳师远袭，粮食补给困难，兼之经过通宵达旦的行军已为疲惫之师，因而凭险坚守，拒不出战。
诸葛丞相没有机会，便回军卤城，未能彻底破坏上邽麦田，这批粮食成了魏军对峙的资本，有必要指出的是，这一战略动作使魏军进入极度缺粮状态，司马懿、郭淮不得不从关中运粮，征取羌胡的粮谷。
司马懿本人以用兵“侵掠如火”、“兵贵神速”著称，若是有把握野战中击败蜀军，以他的军事指挥风格，不会采用坚守策略的。
事实上，初来乍到的司马懿也的确采取过进攻态势，但战果不佳。因此，其后采取防御态势，意味着在本次北伐作战中，蜀汉军队处与有利地位，而魏军居于相当不利的地位。
司马懿进军卤城，登山掘营，与汉军对峙，不与交战。
张郃认为蜀军长途来攻，“孤军食少”，必然想要速战速决。所以应该以大军屯于此处，然后分为奇兵，包抄蜀军，截断其后路。
魏军将领数次请战，司马懿都不准，诸将十分不满，便讥笑他：
“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”
对峙一段时间，诸葛丞相也灵机一动，撤出对祁山的包围，将全部军队集中在卤城。
司马懿派张郃打通和祁山堡的联络，并命他攻卤城以南的的王平，由案中道进逼汉军。他则率众进攻卤城以北的诸葛丞相主力，力图以钳形攻势，击败对手。
诸葛丞相派大将魏延、高翔、吴班分三路领兵作战，大败魏军。斩获魏军的首级三千级，获得战利品玄铠五千、角弩三千一百张。
卤城之战在《汉晋春秋》中有记载，关于卤城之战的记载，九年，亮围祁山，平别守南围。魏大将军司马宣王攻亮，张郃攻平，平坚守不动，郃不能克。
六月，诸葛丞相也没招了，眼见粮草接应不上，而又收到后主刘禅下令北伐军撤退的圣旨，诸葛丞相也见坡下驴，引军退回。
司马懿命令张郃追击汉军，张郃认为“围师必阙，归师勿遏”。张郃不赞同追击，主动撤退的汉军，司马懿强行坚持张郃领兵追击，张郃无奈，前往追击。最后于木门道，被埋伏于高处的汉军射中，伤重病逝。
第四次北伐之前，诸葛亮派李严督粮草时，怕出问题，于是给他三种选择，叫他便宜行事：“上计断其后道。中计与之持久。下计还住黄土。”
李严怕粮运不济，就派马忠、成藩传喻旨要诸葛丞相撤军，这个没有错。
诸葛丞相回来后，李严脑子进水了，反而问：“军粮饶足，何以便归？”
另一方面，李严又向刘禅上表：“军伪退，欲以诱贼与战。”
欺骗刘禅说这是策略，又想推卸责任给岑述。
诸葛丞相早就注意了，无需调查此事，直接出示李严之前手书，明显前后不符，李严无话可说，被贬为庶人。