公元229年四月，吴王孙权正式即位称帝。蜀汉大臣大多数认为孙权称帝超越礼仪，是僭号（即冒用帝王称号），要求跟东吴断绝盟好关系。诸葛亮却认为，蜀汉眼前主要对手是魏国。他坚持和东吴保持联盟，继续准备北伐。
建兴十二年（公元234年），蜀军经过三年的休整，各方面都已准备充分，诸葛亮与东吴联合开始第五次北伐。曹睿派司马懿率大军迎战诸葛亮，自己率兵对付东吴的进攻。
诸葛亮与司马懿率军在五丈原交战，司马懿又吃了败仗，退回营寨，坚守不出。蜀军到他营前百般叫骂，司马懿吸取了从前的教训，充耳不闻，并命令众将官，不许前去迎战。诸葛亮为长远打算，让蜀兵在渭河南岸的土地上开荒种地，以充军粮。两军就这样相持了有三四月之久。
诸葛亮见司马懿拒不出战，便用一个盒子装了妇人用的头巾和衣服，并写了一封信派人给司马懿送去。司马懿看了以后虽然心里怒火燃烧，但他还是强制住自己，很隆重地招待了来使。为了从来使口中套得蜀军的虚实，司马懿假装热情地对来使说：“诸葛丞相每日忙于军务，身体还好吧？”来使说：“丞相每日都早起晚睡，事事亲为，近来他的胃口不好，只吃很少的饭。”使者走后，司马懿对他的手下说：“诸葛亮每日军务繁忙。可吃饭休息都不好，我料他不能再活多久，我们只要坚守营寨，蜀军自会退去。”
不出司马懿所料，由于过度地操劳，诸葛亮的身体确实越来越差了。这时又传来一个坏消息，东吴攻魏的三路大军，全都吃了败仗，无力而退。诸葛亮长叹一声，竟昏倒在地上，大家急忙把他扶起来，半晌才苏醒过来，诸葛亮对身边的人说：“我知道自己的病，恐怕活不了多久了。”他把姜维叫到身边，把一本写有他平生所学的书传给了姜维，又上表给后主刘禅，告知近况。后主得知诸葛亮病危的消息后大惊，赶紧派李福前往五丈原慰问。诸葛亮见了李福对他说：“我辜负了先帝托孤的重任，即将不久于人世了。我死之后，你们要尽心尽力地辅佐皇上，国家的法制不能更改，我所推荐的官员也不能轻易废掉，我已经写好了遗表，请转交给圣上。”李福拿了遗表急忙赶了回去。
诸葛亮又强支病体吩咐手下将士：“我死之后，不要发丧，以防司马懿乘机攻打。大军慢慢撤回，如若司马懿来追，你们可以把我的木像推到军前，列好阵势准备与他作战，司马懿见后必会惊走。”诸葛亮又一一布置了身后诸事，便不省人事。这时李福又匆匆赶来，他看到昏迷中的诸葛亮，哭道：“皇上命我请问丞相百年后，谁能担当大事，可我来晚了一步呀。”过了一会诸葛亮醒了过来，他看到李福，用十分微弱的声音说：“我知道你的来意，我死之后可由蒋琬来担任大事。”李福又问：“那蒋琬之后谁来继任呢？”诸葛亮勉强说出“蒋琬”两个字。李福再问道：“之后呢？”却没听到诸葛亮的回答，大家靠前一看，这位令人敬仰的诸葛丞相已经永远离开了他们。
大家按诸葛亮生前嘱咐，暂时没有发布他病逝的消息，姜维和杨仪组织撤军。费袆到魏延营中秘密告诉他丞相去逝的消息，并让他准备撤军，魏延问费袆：“现在由谁代理丞相负责大事。”费袆说：“丞相把大事都托给了杨仪。”魏延一听很不高兴，说：“丞相虽然死了，可还有我在，杨仪怎么能担此大任，他只配送丞相的棺木回州安葬，我要领兵去攻打司马懿。”费袆说：“丞相有遗命，让我们暂时撤军。”魏延说：“丞相又怎么样，他当时要听我的计策，长安早是我们的了。”魏延没有听从撤军的命令，带着一支队伍，去了南谷口（今陕西省终南山）。
姜维总督大军逐步开始撤退，司马懿得报蜀军全军撤退，对众将说：“一定是诸葛亮死了，我们马上追击蜀军。”司马懿亲自率军追赶，眼看就要追上了，忽然听得一声炮响，喊声大震，只见蜀军回身迎战，他隐约看到蜀军中飘扬着“汉丞相武乡侯诸葛亮”的大旗。再仔细一看，军前一四轮车上端坐一人，纶巾羽扇，鹤氅皂绦，正是诸葛亮。司马懿大惊道：“诸葛亮还没死，我中计了。”反身要逃，姜维在后面大喊道：“司马懿哪里跑！”吓得司马懿魂飞魄散，催马飞奔，魏军个个丢盔弃甲，蜂拥而逃。
过了两天，司马懿得到消息：蜀军退到谷中后，哀哭声四起，军中扬起了白旗，诸葛亮真的死了，他所看到的只是一个木人。司马懿感叹道：“诸葛亮真是天下奇才呀，我能料其生不能料其死也。”确定了诸葛亮已死，司马懿率军再次追赶，可是已经来不及了，蜀军已经走得很远。司马懿说：“诸葛亮已死，我们没什么好担心的了。”于是班师回洛阳了。
姜维、杨仪刚摆脱了司马懿的追击，护送着丞相的灵柩，退到了南谷口，却遇到魏延带着一支蜀军前来堵截，扬言要杀掉杨仪。诸葛亮生前已料到他死之后，魏延会起事端，早就以锦囊授计于杨仪，并派马岱潜到魏延身边，最后魏延被马岱杀死。
姜维、杨仪继续护送着丞相的灵柩回到了成都，后主刘禅为相父挂孝，带领满朝文武出城20里迎接丞相的灵柩。蜀国上下一片哀痛。诸葛亮在遗书中写明将他的尸体安葬在定军山，其他一切从简，刘禅按着他的意思，亲自把灵柩送到定军山安葬，又下诏封诸葛亮为忠武侯。
诸葛亮想统一中原的愿望并没有实现，但是他的智慧和品格，一直被后代的人赞扬。在民间传说中，诸葛亮往往是智慧的化身。
