建兴十二年(234年)二月，率军10万出斜谷，第五次，也是最后一次北伐。同时遣使约吴协同攻魏。并以流马装运军事物资。四月，诸葛亮至郿，进驻渭水之南。魏大将军司马懿率军渡渭水，背水筑垒阻击。诸葛亮转进五丈原(今陕西眉县西南)，司马懿遣雍州刺史郭淮抢占北原，蜀军攻而不克，两军遂相对峙。
诸葛亮经常担心军粮供应不上，使自己统一中国的理想得不到实现。为解决此问题，诸葛亮遂分兵屯田，做长久屯驻之准备。
五月，吴军10万三路攻魏，以配合蜀军作战。魏明帝派秦郎率2万人援司马懿，自率主力反攻吴军。七月，吴军撤走。八月，司马懿遵照魏明帝“坚壁拒守，以逸待劳”的指示，与诸葛亮相持百余日。
其间，诸葛亮数番挑战，司马懿坚壁不出，欲待蜀军粮尽，相机反攻。诸葛亮便派人给司马懿送来“巾帼妇人之饰”(《晋书·宣帝纪》)羞辱之，欲激司马懿出战，司马懿仍不出战。为平息部属不满情绪，故意上表请战，魏明帝派卫尉辛毗为军师制止之。以后，诸葛亮一来挑战，司马懿就要带兵出击，辛毗杖节立于军门，司马懿便不出兵。
辛毗一到，姜维就对诸葛亮说：“辛毗杖节而至，贼不复出矣。”诸葛亮说：“彼本无战心，所以固请者，以示武于其众耳。将在军，君命有所不受，苟能制吾，岂千里而请战邪”(《晋书·宣帝纪》)！
不久，诸葛亮遣使求战，司马懿不谈军事，问使者：“诸葛公起居何如，食可几米？”使者说：“三四升。
”然后对问政事，使者说：“二十罚已上皆自省览。”经过一番不经意的询问，司马懿对人说：“诸葛孔明其能久乎”(《晋书·宣帝纪》)！
当月，诸葛亮诸葛亮积劳成疾，一病不起。后主刘禅派尚书仆射李福省探望病情，并询问了许多军国大事。
几天后，李福去而又返，诸葛亮病情已经恶化。诸葛亮对李福说：“孤知君还意，近日言语虽弥日，有所不尽，更来亦决耳。公所问者，公琰(蒋琬)其宜也。”李福又问：“前实失不咨请，如公百年后谁可任大事者，故辄还耳。乞复请蒋琬之后，谁可任者？”诸葛亮说：“文伟(费祎)可以继之”(《资治通鉴·卷第七十二》)。
李福再问后面的接替者，诸葛亮不再回答。李福走后几天，诸葛亮病死在五丈原军中，终年54岁。历时七年的诸葛亮攻魏之战至此结束。
诸葛亮死后，军中大将姜维和杨仪依诸葛亮生前部署，秘不发丧，整军从容撤退。司马懿闻迅来追，姜维令杨仪返旗鸣鼓，做出回击的样子，司马懿以为中计，急忙收军退回，不敢逼近。
于是蜀军安全而撤，百姓作谚语道：“死诸葛走生仲达”(《晋书·宣帝传》)。蜀军从容进入斜谷后，才下令发丧。
诸葛亮遗言死后要葬在汉中的定军山(今陕西勉县南)，依着山形建造坟墓，墓穴只要能容纳棺材就行，穿着平时的衣服，不必在过中放置殉葬的器物。
蜀国依照诸葛亮遗嘱将他安葬在汉中定军山，以提醒后人不要忘了北伐曹魏，统一中国。
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