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。刘禅派遣尚书仆射李福前来问候,同时询问国家大事。李福来到,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,近来虽然整天谈话,有些事还没有交待,又来听取决定了。你所要问的事蒋琬适合。”李福道歉说:“日前确实不曾询问,如您百年这后,谁可以担负重任,所以就又返回。再请问蒋琬之后,谁可承担重任?”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。
八月,诸葛亮果然因积劳而病倒,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。诸葛亮病重的消息传到成都,刘禅派李福去探望诸葛亮,并询问此后国家大计。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,诸葛亮在军营中与世长辞。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”。诸葛亮六次用兵,出祁山只有两次;第四次是魏军主动进攻,蜀军防守,由于连日大雨,山洪暴发,冲毁栈道,蜀魏并未交战。
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30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。