想到即将要陷入缺粮困境，魏军将领大感恐惧。司马懿安慰道：“诸葛亮考虑的事情繁多，人又谨慎，他必然先设置营垒确保稳妥，然后再割麦。咱们有两天时间足可以赶到。”于是魏军放弃对祁山的救援，急忙掉头往回赶，经两昼夜紧急行军后，大军抵达上邽之东边，与蜀汉军队隔渭水相遇，双方隔水对峙。但几天后，诸葛亮突然率军撤走。
司马懿跟手下将领得意地说道：“我们来回长途紧急行军，非常疲劳，懂军事的人一定会抓住这个机会。但是诸葛亮却不敢依据渭水应战。这个诸葛亮不难对付！”司马懿率大军在后跟踪而进，追赶了大约八十里路后，在西汉水北岸，又远远地看见了蜀汉军队。由于魏军兵力占据绝对优势，司马懿手下将领纷纷请战，要求直接挥兵攻打，但司马懿未轻举妄动。
【（宣王）遂进。亮分兵留攻，自逆宣王于上邽。郭淮、费曜等徼亮，亮破之，因大芟刈其麦，与宣王遇于上邽之东】【（帝）遂进军隃麋。亮闻大军且至，乃自帅众将芟上邽之麦。诸将皆惧，帝曰：「亮虑多决少，必安营自固，然后芟麦。吾得二日兼行足矣。」于是卷甲晨夜赴之。亮望尘而遁。帝曰：「吾倍道疲劳，此晓兵者之所贪也。亮不敢据渭水，此易与耳。
」进次汉阳，与亮相遇，帝列阵以待之。】【与宣王遇于上邽之东，敛兵依险，军不得交，亮引而还。宣王寻亮至于卤城。】【进次汉阳，与亮相遇，帝列阵以待之。使将牛金轻骑饵之，兵才接而亮退，追至祁山。亮屯卤城，据南北二山，断水为重围。】司马懿让大军列好阵势，做好埋伏，然后派遣手下将领牛金带领轻骑兵去攻击蜀汉军队，意图假装败退以引诱蜀汉军队追击，但是刚一接触，蜀汉军队却突然再次撤走。
【张郃曰：“彼远来逆我，请战不得，谓我利在不战，欲以长计制之也。且祁山知大军以在近，人情自固，可止屯於此，分为奇兵，示出其后，不宜进前而不敢偪，坐失民望也。今亮县军食少，亦行去矣。”宣王不从，故寻亮。】眼看蜀汉军队迅速撤走，张郃向司马懿建议道：“蜀军大老远来进攻陇右，我们应该从长计议，不与他们作战最为有利，况且我们祁山堡的守军已经知道我们大军已到，必然会继续固守，不会轻易放弃。
如此，我们就驻守在这里，然后分出一支奇兵，装作绕道去截断蜀军后路的样子。我们虽然不宜进攻他们，但也不能不逼迫他们，免得让大家小看我们。现在，诸葛亮军队粮食不多，坚持不了多久也将要退走了。”司马懿没有听从张郃的建议，继续率大军追赶蜀汉军队。【（宣王）追至祁山。亮屯卤城，据南北二山，断水为重围。】司马懿大军继续紧急行军七十里左右，途中经过木门道，向南抵达祁山附近之卤城地区，发现蜀汉将领王平正带领一部分军队在西汉水南岸据山驻守，而诸葛亮自己则在北岸依山驻扎。
司马懿随即登上西汉水北岸的山上，不发起进攻，却修筑营寨，与诸葛亮对峙。【既至，又登山掘营，不肯战。贾栩、魏平数请战，因曰：“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”宣王病之。诸将咸请战。】司马懿手下的贾栩、魏平等一帮将领纷纷请战，并嘲笑司马懿畏蜀如虎，司马懿很不爱听。但由于此前诸葛亮破坏了曹魏上邽后勤基地，并收割了陇上小麦，使得魏军粮草不足，于是在对峙十多天后，司马懿决定速战速决，向蜀军发起进攻。
【是时，陇右无谷，宣王等粮亦尽】司马懿命令张郃率领一部分军队进攻南岸的王平，而自己则亲自率领主力部队大举进攻北岸的诸葛亮军队。眼看北岸蜀军抵挡不住，往后逃跑，魏军乘胜追击。正在大举追杀时，突然两翼冲出了魏延、高翔、吴班率领的大批蜀汉军队，箭如雨下。魏军立刻损失了一万五千多人，损失惨重，司马懿急忙转身往回逃跑，疯狂地跑了七十多里，躲入先前的城池中避战。
此时攻击王平的张郃军队，攻不动南山，见状也赶忙跟着逃跑。蜀汉军队则乘势追杀了七十多里，然后与躲入城池中的司马懿残部再次对峙。【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。】《三国志 王平传》【亮使魏延、高翔、吴班赴拒，大破之，获甲首三千级，玄铠五千领，角弩三千一百张，宣王还保营。
】《三国志》裴松之注引《汉晋春秋》那个时代甲首通常是由伍长所穿戴，甲首三千意味着“卤城之战”曹魏损失一万五千名左右的士兵。对于“卤城之战”，陈寿《三国志》的相关记载均有所隐晦，只写了一半，没交代“司马宣王攻亮”的结果是什么，也没有交代“张郃攻平，平坚守不动，郃不能克”之后的下文，恰恰是缺失了《汉晋春秋》这一段相关文字；《晋书》更是美化司马懿，把诸葛亮卤城之战中的“诈败诱敌”当做诸葛亮真败进行描写，同样也没有交代下文。
但在《汉晋春秋》与《资治通鉴》里记载比较完整，算是对《三国志》进行了补充。再结合地理，敌对两军自卤城之战后，对峙位置从木门道以南的卤城地区转变到了木门道以北，明显看出司马懿曾经往上邽方向逃跑了至少七十里路，说明《汉晋春秋》的记载是真实的。当然，陈寿《三国志》成书于司马氏晋朝，必然要体现司马氏当局的意志，必然要掩盖司马懿本人的败仗。
考虑到蜀汉没有史官以及陈寿艰难的处境，可以理解作者陈寿在《三国志》中没有交代“卤城之战”下文的原因。须知陈寿在著写《三国志》时，因稍微客观了一点，就“战战兢兢，死罪死罪，顿首顿首”。自阴历五月中旬卤城之战结束后，开始连续下雨，诸葛亮担心西汉水涨水，预感粮草运输将会出问题，于是写信给驻守在汉中、并负责粮草的李严，提出了三个策略。
上策要求李严率领驻守在汉中的三万军队迅速前往几无兵力的关中雍、郿二城，截断司马懿军队后勤供应及其退路。 这个上策正是先前曹魏大军从关中出发时，张郃所担心，故那时曾建议司马懿分兵留守雍、郿二城。中策则是要求李严努力克服困难，继续保障北伐军的粮食供应。但是李严在回信中拒绝了上策和中策，并要求诸葛亮撤军，采取了要求诸葛亮撤军这一下策。
【《华阳国志》记载：亮虑粮运不继，设三策告都护李平曰：“上计断其后道。中计与之持久。下计还住黄土。”时宣王等粮亦尽，盛夏雨水。】“黄土”即如今陕西汉中勉县的黄沙镇，汉末三国时期诸葛亮就在黄沙镇屯田、练兵。由于诸葛亮先前抢割了陇上小麦，导致司马懿大军濒临断粮，但由于郭淮长期驻守陇右，具有主场优势，利用其在当地的影响力，从少数民族手中搜刮了一批粮食，靠这些粮食苦苦坚持，直到从关中辗转运来粮食。
【是时，陇右无谷，议欲关中大运，淮以威恩抚循羌、胡，家使出谷，平其输调，军食用足，转扬武将军。】连绵的雨水使得西汉水暴涨，无法行船，李严难以通过水路运粮，也未能通过陆路运来粮食。李严派遣参军狐忠、督军成籓到达北伐前线，面见诸葛亮，不断地要求撤军。到了阴历六月底时，蜀汉北伐军粮食将尽，诸葛亮无奈之下，只好退兵。
【秋夏之际，值天霖雨，运粮不继，平遣参军狐忠、督军成籓喻指，呼亮来还；亮承以退军。】司马懿得知诸葛亮撤军，认为撤退中的蜀军必然军心动荡、队列不整，又缺乏营寨保护，正是趁机歼敌的良机，于是命令张郃率兵追击。张郃认为“归兵勿追”，结果司马懿不听，强令张郃执行命令。结果当世名将张郃在木门道惨遭蜀军伏击而陨落，数千魏军被歼灭。
【《三国志 后主传》：夏六月，亮粮尽过军，郃追至青封，与亮交战，被箭死。】 【《华阳国志》：夏六月，亮承平指引退。张合至青封交战，为亮所杀。】【《三国志 诸葛亮传》：粮尽退军，与魏将张郃交战，射杀郃。】 【《三国志 张郃传》：郃追至木门，与亮军交战，飞矢中郃右膝，薨。】诸葛亮第四次北伐，司马懿遭受重大损失，总计被歼灭两万五千名左右的士兵，损失名将张郃，自此畏蜀如虎；战役中诸葛亮不拘泥于兵法，灵活机动，始终保持主动，始终牵着司马懿鼻子走，通过诱敌深入、围点打援和伏击，大量歼灭了曹魏有生力量，严重消耗了曹魏国力，最后安然撤军。
远在成都的蜀汉皇帝刘禅，得知诸葛亮撤军，遂派人询问李严，说形势大好为何撤军？李严回答说这是诸葛丞相为了诱敌深入、扩大战果，以进一步重创魏军。诸葛亮撤军回汉中后，李严却表示惊讶，声称粮食充足，问诸葛亮为何撤军？如果说诸葛亮以前因为顾全大局还能容忍李严的一系列错误行为，但这一次李严不仅严重失职，还欺上瞒下，给北伐大业造成了重大损失，更是企图逃避责任并推卸责任于诸葛亮。
