诸葛亮带着北征大军，越过剑阁进入汉中盆地，并在曹魏国境边阳平关的白马立下大本营，摆出一副要由秦岭进攻长安的姿态。
秦岭地势险恶，必须靠栈道才能进入，想发动突击是不可能的。因此诸葛亮停顿了下来，在大本营里一方面派人修筑进入秦岭的栈道，另一方面则让各军进行山中作战训练，有意误导曹魏的防守策略。
魏明帝曹睿听说诸葛亮率大军进入阳平关，便召开御前军事会议，研判诸葛亮显然将出斜谷，进攻南郑，直接威胁长安。
散骑常侍孙资表示：“关中地势险恶，易守难攻，若派大军迎击，可能遭遇当年太祖武帝（曹操）出师不利的困境，何况如今东吴和蜀国有再联合的迹象，如果由东西战线同时北上，必会对我们造成威胁，绝对不能忽视……”
孙资更进一步建议曹睿，应派遣拥有独力作战能力的大将，据守各地方险要，采取“威慑强寇，镇静疆场”的策略。长久下来，吴、蜀两国必自疲，到时可收不战而屈人之兵之功。
的确，如果诸葛亮采取的策略真如曹魏大臣们所作的研判，那么就和孙资的建议一样，只要曹魏派遣大将，据险而守，那真的是一点办法也没有了，长期下来，势必弄得自己帅老兵疲，反而容易为曹魏所击破。
但诸葛亮到底不是一般的俗将，脑子里深藏的策略是不容易被预料的。他所规划的奇兵战术，是由祁山进入陇西，以攻占凉州。对诸葛亮而言，北伐的第一个目标，应该是曹魏政权最没有威胁、防守力也较弱的凉州。只要稳住凉州，再配合汉中部队，由西南和西北同时夹击关中，获胜的机会便大得多。
不过，诸葛亮还有一个奇兵，那就是据守在新城郡的孟达。孟达的大本营设在汉水北岸的上庸城。如果他能及时起义，引诸葛亮车队直入新城，便可以一举切断洛阳和长安的联系。整个司隶的西半部或可纳入蜀汉的掌握中，到时魏国的京城——洛阳会受到莫大威胁，甚至被迫迁移都城，那么蜀汉即可在政治声势上取得绝对优势。而且只要攻占长安，就能进一步取得凉州和雍州，在长期的对峙战上，对蜀汉是相当有利的。
因此孟达这着棋非常重要，绝对大意不得。诸葛亮到达汉中后，停止练兵长达半年之久，主要是在等待孟达，让他掌握最佳机会，叛魏归蜀。
不过孟达到底是空有才学、缺乏见识的儒将。虽然诸葛亮一再要求他切勿轻举妄动，一定要抓住最好的时机，才可发动兵变。但孟达似乎沉不住气，急着想把这件困难又危险的任务尽快完成。
偏偏在这年六月间，曹睿接受孙资的建议，派遣骠骑大将军司马懿，都督荆、豫两州，并在宛城附近设置指挥总部。宛城离上庸不远，因此孟达有点着慌，不断派遣使者向诸葛亮告知情况的变化，一方面也加紧调度人马，准备起义。
也许动作太频繁了，终于引发了附近魏兴太守申仪的疑虑。申仪和孟达一向不和，因此以半猜测的方式，暗中上书密告孟达有与蜀潜通的嫌疑。
曹睿颇欣赏孟达的儒将风度，对申仪的密告不是很相信，但由于新城和上庸均在通往蜀国的重要管道上，实在大意不得，于是他命令司马懿暗中观察孟达的行动。
司马懿故意先派人透过耳语传播，让孟达知道申仪暗中对他提出了密告，让孟达心存警惕。如果没有这回事，孟达一定会公然为自己辩护，如果真有其事，孟达必会恐慌，而在行动上露出破绽。
孟达得到消息，果然深为惶惧，司马懿又派参军梁畿，带了一封司马懿亲笔写的慰问信，故意对这种传言表达关心之意，并劝告孟达亲自回朝廷晋见曹睿，以表明心迹。
这使缺乏器量的孟达大为惊慌，他根本无心思虑应变之道，只想尽快完成叛魏归蜀这件事。当司马懿的使者一离开上庸城，孟达立刻派人送信给诸葛亮，请求发兵接应。这些动作自然都在司马懿的窥伺中，因此，他判断孟达造反之事应属事实。
孟达也知道司马懿必对他展开监视，但他实在不知该怎么办，所以只好狠下心来着手起义行动。在写给诸葛亮的信中表示：
司马懿驻军宛城，离洛阳八百里，离新城有一千两百里。要是司马懿得知我起义，必会向洛阳的曹睿报告，再由曹睿发出正式命令，派司马懿由宛城带兵攻打新城，这样一来，至少要一个月以上。到时，孟达早已将新城地区的守备作好事先的部署。就算司马懿大军到来，也不用担心了。
况且，司马懿防御的对象主要是东吴，加上新城地势险要，不是短期内攻打得下来的。因此，司马懿为了不影响正式工作，一定只会派出其部将前来。只要司马懿不亲自到来，前来围剿的曹魏军便不会太多。
其实，这只是一般“官僚”的想法，对于一个有胆识的将领，岂会如此地怕事而不负责任。
因此，当诸葛亮看到这封信，不禁大惊失色，顿足叹息道：“太大意了，太粗心了。孟达既熟读兵书，岂不知‘将在外，君命有所不受’。在自己的管辖区内，有人叛乱，哪有还要向皇帝报告才加以征讨的道理，孟达必会败于司马懿之手了。”
诸葛亮知道孟达这着“伏棋”失败了，因此不再寄望。他必须保持实力，进行西战线的安排。所以只派一支偏军前去接应，设法救出孟达即可。
果然不出所料，不到半个月，诸葛亮再度接到孟达的急报，表示：“出兵才第八天，想不到司马懿亲自率兵，将上庸团团围住了，请速派遣救兵前来援助。”
其实，即使诸葛亮有心前往援助，也不可能了。原先派去的接应部队，被挡于木兰道上，根本无法进入新城郡境界。孟达起义时，曾联系孙权，希望获得支援。孙权亦派出接应部队，同样被挡在西城安桥附近。孟达的叛军在准备不周的情况下，完全被孤立。
蜀汉建兴六年春天，司马懿完成对新城郡的包围，下令攻击。孟达见援军不到，心慌意乱，原先答应他共同叛变的部队也纷纷背离。因此只花了十六天，新城郡治城便陷落了，孟达被斩杀，原先较亲蜀汉的孟达直属大军七千余人，全部被调往北方。诸葛亮东战线突击计划，到此完全失败。
看到诸葛亮驻屯大军于汉中，最为担心的是曹魏的长安守将夏侯桥。夏侯桥是曹操时代故征西将军夏侯渊幼子。曹操欣赏夏侯渊之才干，当夏侯渊在汉中天荡山战死后，曹操非常怜惜其遗孤夏侯桥，特将女儿清河公主嫁给他。夏侯桥头脑清楚，长于文学及辩论，因此相当得曹丕欣赏，又属同族，曹丕即位后，夏侯桥被封为安西将军，都督关中，镇守长安，以承续夏侯渊临终前的最终官职。
在孟达起义失败后，诸葛亮只好撤销西战线的规划。但在大本营举行的第一次军事会议上，丞相司马——也是北征军第一军主将魏延却提出不同的意见，他认为如果策略运用正确，便可以直接突击长安，占领司隶军区，何必从凉州绕一圈。
魏延大声地表示：“听说，夏侯桥是曹操的女婿，年轻而不懂战略。只要给我二千精兵加上五千后援部队，我会由褒中出发，循秦岭向东方进攻，由子午道再转往北，不到十天即可到达长安。由于此路大多在山区，所以夏侯桥不可能知道，当他发现我兵临城下时，必会惊慌地弃城逃走。只要主将逃走，长安城内大多是文人，根本不可能作有效防守。
“更重要的是长安城内有大批存粮和武器，如能据为我方所有，就能很快地加强防务。估计由洛阳方面派来援兵，至少要二十天，这时候丞相也会有足够的时间率大军出斜谷和我军会合，那么关中地区必可以完全属于我们了。”
魏延这一段豪论虽说得理直气壮，其实中间有很多破绽。蜀军未和夏侯桥真正对阵过，便如此地低估对方主将，未免太冒险了些。
况且由秦岭北进，必须经由栈道，率领一万大军在危道上行军，行动相当危险。如果没有其他部队引开敌方的注意，而一味地认为处于山中敌军便无从知悉，这种想法也太肤浅了些。当年韩信明修栈道，暗度陈仓，则是这一策略的反运用，而能顺利成功。
最反对魏延计划的是参谋部杨仪，他的个性和魏延正好相反。魏延好说大话，做事认真而勇猛，就是缺乏考虑。杨仪思虑细密，行政能力甚强，很得诸葛亮的信任，但权力欲极重，喜欢指使别人。其他将领一方面基于对诸葛亮的尊重，另一方面也对杨仪的能力颇为钦佩，因此大多还能配合。只有一向傲慢的魏延偏不买账，两人之间常有冲突，使诸葛亮相当头痛。当天，杨仪把魏延的计划批判得体无完肤，让魏延几乎当场暴怒。
诸葛亮想起当年魏延受刘备封为汉中太守时，即口出大言，深知此人虽勇猛好表现，但值用人之际，自然不宜打击他的士气。于是他向杨仪使眼色，明言加以斥责，再对魏延好言相慰，之后直接裁决，还是采取西向突击凉州的计划。
诸葛亮的计划是不走山路，反而由祁山攻向陇右，占领凉州的主要精华区，再倒过来威胁长安。为了不让曹魏判断出他北征的第一个目标，居然是离汉中大本营遥远的凉州，诸葛亮兵分两路，派遣谨慎又有丰富作战经验的预备师主帅——镇东将军赵云，在东战线制造疑兵，部署在祁山，攻击凉州的南方军事重镇南安、天水和安定。
后世的史学家，由沙盘推演，以子午线离长安最近而判断魏延的战术较优秀，甚至借此批评诸葛亮缺乏应变的军事能力，其实是非常不公平的。
以蜀汉和曹魏的实力相比，即使能突击长安成功，但如果要真正有效地统有关中和凉州地区，便没有足够力量长期守住长安。如果曹魏坚壁清野地在司隶和蜀汉北征军对抗，必使战事陷入僵局，远征军补给困难，战线又长，万一曹魏军在后方进行偷袭，势必危及远征军的生存。
当年关羽连破曹军，包围住襄樊，眼看成功在即，但后方本营遭到吕蒙突袭，远征军士气立刻崩溃，造成全军覆没，这个前车之鉴是不可不仔细评估的。
魏延这个策略，好比棒球赛里的长打，虽然能马上取得分数，甚至出现全垒打，但是被接杀的几率很高，严格来讲，对于弱势球队，长打是相当不智的战术。
诸葛亮参谋本部的规划，可以说是短打强迫上垒的战术，利用对方的不注意，攻击其最疏忽的地方，不求大功，只求进垒。战胜一垒后，再一步步往前推进，一垒又一垒，也许艰苦些，花的时间较多，但却是最扎实、最没有风险的。诸葛亮便是如此，想以最大的耐心、最少的代价，获得最后的胜利，这是《孙子兵法》精神的最高发挥。慎战和局部“速战”法的短打战术，对弱势球队而言，的确是比较适合的。
建兴六年春天，诸葛亮的北伐大军在汉中驻扎了将近一年，在孟达事件失败后，立刻由阳平关出发。但诸葛亮大军并不往北进攻，反而向西行军，绕一大圈到祁山南端。如前所述，诸葛亮不会单纯地认为绕道便可骗过曹魏的参谋本部。对此，他作了相当完整的准备。
首先他制造疑兵阵，让曹魏参谋本部认为他的确想由秦岭攻击关中，占领长安。负责此一任务的是谨慎负责、顾全大局的老将镇东将军赵云，这时候的赵云已近七十岁，仍头脑清楚，冷静而有毅力，诸葛亮更派出足智多谋、善于应变的扬武将军邓芝协助赵云，以应付曹魏主力部队可能产生的攻击。
为了达到吸引敌人注意的目的，赵云大胆地采用分散扎营策略，将一万多部队，组成数百个可以独立作战的小组，分派比人数更多的旗帜，在箕谷一带呈纵式鱼鳞阵的部署。看起来如同诸葛亮的主力仍在于此，并且摆出准备从斜谷道去攻打关中西南区军事重镇的态势。赵云坐镇于伪装的诸葛亮大本营中，以静制动地准备迎击曹魏大军。
诸葛亮则亲率主力部队四万多人，暗中往西急行。第一军魏延率领先行，诸葛亮的主力军紧随其后，马忠的后军殿后。每一个军营均分成数小组，分开于夜间急速行军，相约在祁山之南的武都郡为集结点，在此重新部署，以向祁山发动攻击。
诸葛亮自己也放弃常用的坐车方式，改穿武装铠甲，并乘坐骑随军行动。表面看来这是支小型特遣支队，以有效欺骗曹魏的情报人员。
这个战术果然空前成功，曹睿的作战参谋本部完全受骗。曹魏的辅国大臣——大将军曹真亲率十万大军，布阵于鄢县，准备和蜀汉北征军决一雌雄。显然曹魏关中大军的主力，已被赵云指挥的偏师牵制在东战线上了。
诸葛亮的主力大军在不到十天的期间，便在武都完成集结。神不知鬼不觉地做好了攻击发起线的部署。祁山以北的曹魏郡县仍以为这只是特遣部队，将配合东战线发动局部攻击行动而已，因此并未集结足够的防御军力。
从武都越过祁山的诸葛亮北征大军，如疾风暴雨般地攻向曹魏管辖的凉州。魏延大军更深入凉州和关中直辖司隶的边界安定郡。陇西的南安、天水两个军事重镇在诸葛亮主力的攻击下，相继叛离曹魏，归顺蜀军，这和诸葛亮及刘备时期不断向凉州进行政治号召有关。不久，安定郡陷没，陇西郡的攻占看来是迟早之事，诸葛亮的突击战获得了相当程度的成功。
但对诸葛亮而言，最兴奋的倒不是辉煌的战果，而是获得了一位空前优秀的将才——姜维。这位日后成为诸葛亮军事继承人的年轻将领，和诸葛亮的相遇却是相当偶然的。《三国演义》及京剧上，描述诸葛亮如何运用奇计击败姜维，使其心服口服的情节，在历史上并不存在，只是小说家的渲染而已。
姜维字伯约，凉州天水冀县人（今甘肃甘谷县南方），少年时父亲去世，和寡母相依为命。但姜维一点也不丧志，他努力研究郑玄之学，希望在仕途上顺利发展。由于其父亲姜同以前做过天水郡功曹，正值羌人和戎人叛乱，姜同亲自率军征讨，兵败被杀。因此在姜维成人之后，太守特请朝廷赐姜维为官中郎，得以参与天水郡军事，不久便出任郡计掾，更由凉州刺史聘任为从事。
诸葛亮大军由祁山攻入天水郡时，太守马遵认为在祁山集结的蜀军只是特遣支队而已，根本未真正做准备，反而轻敌地率领姜维和郡功曹梁绪、主簿尹赏、主记梁虔等到郡内各县视察。等到确定诸葛亮本人在军中，而这支即将攻来的军队就是蜀汉北征大军的主力部队时，马遵不禁大惊失色。加上南方诸县一一向蜀军响应，马遵也怀疑姜维等可能会反叛，深夜独自脱离队伍，向东逃往上邦（今甘肃天水市），并且下令封城，任何军队都不准进入。
姜维无可奈何之下，只好解散部队，独自返回故乡冀县，但冀县已为蜀军攻陷。依照《魏略》中记载，姜维还冀后，冀县父老大喜，共推他与诸葛亮进行谈判。姜维硬是被赶鸭子上架，只好代表故乡父老，向诸葛亮投降。
看来，姜维的投降倒不是诸葛亮使了什么计策，让他心服口服。最主要的原因，是被马遵的不信任所逼，故不得不如此。
不过，确如《魏略》上的记载，诸葛亮见到姜维时，大为高兴。姜维当年二十七岁，和诸葛亮出隆中时同龄，个性上颇为相似。好学不倦，深通兵法，企图心甚强，而且头脑清楚，长于辩论，又颇有胆识，可以挑起临危重任的担子。这一切和诸葛亮本人太像了，难怪后人常把姜维视为诸葛亮的继承人。
诸葛亮在给留府长史张裔及参军蒋琬的信中表示：“姜伯约忠勤时事，思虑精密，……其人，凉州上士也。”并且对姜维的能力颇为肯定：“姜伯约甚敏于军事。既有胆义，深解兵意，此人心存汉室，而才兼于人……”
但诸葛亮并未马上重用姜维，除了在个性和心态上需详加观察外，二十七岁的姜维思考力到底尚未成熟，而且经验不足，只能算是犹待琢磨的璞玉，仍需诸葛亮加以有计划地教导和训练才能发挥其才。
不急于把姜维捧上台面，正是诸葛亮爱才之心所致。但在同时，诸葛亮却严重地错用人才，不但使对方酿成悲剧的命运，并且也使第一次北征计划遭到致命的打击。
凉州三郡失陷，关中大为震动。
曹睿终于发现箕谷的蜀汉军只是疑兵而已，深感自己判断错误责任重大，由此立刻御驾亲征，到长安坐镇。他一方面下令曹真倾全力攻打箕谷的赵云军，一方面动员五万生力军，由左将军张郃率领，急速赴前线，阻止蜀军的攻势。为了彻底击退蜀军，曹睿便下令留置洛阳的官员动员编组三十万的后援部队，随时准备支援前线。
张郃字俊义，河间鄞人，黄巾军起义，张郃响应朝廷征募，投入官军，屡立奇功，升为军司马，后编组属冀州牧韩馥属下。袁绍代替韩馥为冀州牧时，张郃归属袁绍，在和公孙瓒对抗中功劳甚大，升宁国中郎将，年纪轻轻便成为独当一面的将领。
官渡之战时，张郃和大军指挥郭图意见不合，遭到郭图谗言相害，不得已投奔曹操。曹操非常欣赏张郃才华，称之为“韩信归汉”，拜张郃为偏将军，封都亭侯。
汉中大战，夏侯渊殉职，曹军陷入严重危机，在郭淮建议下，张郃临危受命，代理统帅一职。在他冷静的安排下，终于有效地挡住刘备大军的攻势。由此可见，张郃是位颇富智慧和经验的大将。
经过多年的磨炼，张郃的作战经验更为丰富、更为老到了。为应付凉州失陷的危机，张郃以左将军的高级职衔奉命领军，对付诸葛亮的北征大军。
张郃率领五万生力军，由洛阳出发，在长安拜见曹睿后，立刻西进。他先到达郦县，和曹真会商，彼此交换东西战线作战策略的意见后，便即刻攻向凉州。
张郃的作战计划相当大胆，他无视于蜀军已同时占有安定、南安及天水三郡，采用中央突破战术，由鄙县直攻陇山北麓，通过陇山和六盘山之峡道，直接进入凉州北境。换句话说，他由中央直接切断了在安定的魏延大军和天水的诸葛亮的主力军之间的联系。
张郃之所以如此大胆，是因为他判断凉州诸郡的反叛是慑于诸葛亮突击的声势。魏延虽已占领安定郡，其实未获当地军民的诚心支持。只要曹魏军能有效攻入凉州，安定郡诸县必会很快反正，到时候，魏延大军反而成为孤军，安定郡、天水和南安必有光复的希望。
张郃这一战术的确又狠又准，使一下子攻占太多地方而尚未稳定战局的蜀汉北征大军大为惊慌。尤其是安定郡的魏延大军更有被切断后路的危机。
诸葛亮立刻在天水召开军事会议，参谋本部建议派大军在祁山东北的咽喉要地街亭（今甘肃省秦安县东北），迎击越山而来的张郃大军。由于这场会战，将是两军胜败的关键，故需派遣富于智慧又能独当一面的大将负责这一重任。
大多数将领都认为最好调回目前在安定郡指挥的宿将魏延，或者较富作战经验的张裔来担任。但诸葛亮认为据守在安定郡的蜀军，正陷入极端不安中，调回大将，可能会因而崩溃，何况魏延绕道赶回，也是缓不济急。张裔过于审慎，应变能力不足，不见得是张郃的对手。左思右想下，诸葛亮决定派任他一向器重的参军马谡。
马谡是马良的幼弟，自幼熟读兵书，组织力甚强，又好为议论，是一流的军事参谋，可惜一直被编组在参谋本部中，缺乏临场作战经验。
马良死后，诸葛亮基于和马良的深厚友情，更为怜惜马谡，经常将他带在身边，随时教诲磨炼。刘备在永安宫托孤时，见到诸葛亮过分重视马谡，遗言警告诸葛亮，马谡为人言过其实，自视甚高，思虑常不切实际，不可赋予重任。
有一段期间，诸葛亮将马谡置于参谋本部严加磨炼，不敢赋予实际作战责任。直到诸葛亮南征前夕，马谡告以“攻心为上”的建言，诸葛亮大为高兴，更以之为北征军事行动的指导方针。
或许由于这件事，使诸葛亮判断马谡已经完全成熟，因此这次的北征行动中，不再将他安排在参谋本部，而是以参军长身份成为诸葛亮本部大军的首席将领。
当年马谡已三十九岁，正值壮年，如果不借机建立战功，日后可能不会再有独当一面的机会。因此，诸葛亮有心刻意重用。
不过，街亭会战实在太重要了，大部分将领都怀疑马谡能否胜任，纷纷不表赞同。诸葛亮独排众议，认为张郃经验老到又富于作战智慧，一般的战术不见得敌得过他，派任没有传统包袱的马谡，发挥创新的作战方法，正好可以难倒张郃，得胜的机会较大。
为弥补马谡临场经验的不足，特别派遣行伍出身、经验丰富的裨将军王平为副将，除了保留少数近卫军外，诸葛亮的主力军几乎完全交付给马谡，即刻在街亭附近布阵。
临行前，诸葛亮特别嘱咐马谡，要沿河边布阵，只要挡住张郃的攻势，挫其锐气，等待魏延由安定郡而下，南北夹击，即可彻底击溃张郃军。若街亭战役获胜，凉州便能稳稳地掌握住了。
但马谡到达街亭观察地形后，却对诸葛亮交代的布阵方式不表同意。马谡发现街亭在渭水南方、祁山的西北方，街亭和渭水间是一片盆地。诸葛亮交代沿祁山山麓一直到渭水旁的盆地沿线布防，阻挡张郃军渡水而来，只要张郃攻击受阻，安定郡的魏延军便可由后面夹击之。
马谡却认为张郃越过陇山而来，若在河边布阵，张郃大军等于由上而下，不但可清楚地看出自己的全盘部署，而且上攻下的气势比较锐利，虽说有渭水阻挡，但张郃大军在人数上占绝大优势，如此布局是非常不利的。
就算能勉强阻挡张郃过河，仍需靠魏延由后面攻击，才能击败张郃，到时候战功一定反为魏延所夺，这对一个战场的指挥官而言是很没有面子的。因此，他决定要引诱张郃渡河，进入街亭再进行决战。如果要达到此目的，就必须在街亭正南方的祁山上布阵，在这里不但可以由高望下，清楚地看到张郃军的部署，决战时，蜀军更可由高往下冲，《孙子兵法》有言：“高山勿仰。”这样一来，对张郃军相当不利。
谨慎的王平自然不赞成马谡的看法，他担心万一战事拖长，不能马上进入决战，则在祁山半山上布阵的蜀军在饮水上会陷入困难，数万大军集结，如果没有水源是非常危险的。
但马谡不接受劝谏，他认为派遣少部分军力部署街亭西北角上邦附近，便可维护水源的供应。王平以街亭战役关系重大，不可违背丞相（诸葛亮）事先嘱咐，马谡则认为“将在外，君命有所不受”，何况战场上的指挥官，身在第一线，怎能完全接受后方参谋人员的指挥，所以坚持依照自己的方法。
马谡大军的部将黄袭和李盛也赞同马谡的看法。王平不得已之下，只好率本队千余人，在街亭的西北角盆地布阵，以和山上的马谡主力军，互为犄角。
张郃的主力军日夜兼程越过陇山北方，由东北接近街亭附近。半路上，张郃得知街亭的指挥官是诸葛亮一向器重的少壮派将领马谡，因而一点也不敢大意。他一面派遣斥候部队，探察安定郡魏延军动静，计算魏延军可能赶到战场的时间，一方面详细观察马谡在街亭布阵的情形，以及街亭北方渭水的宽窄深浅，以为渡河的准备。
在搜集完详细情报后，张郃先下令大军在渭水北岸驻扎，自己亲临前线，观察马谡大军的动静。
他仔细地对照画下来的地图和实际的情景后，不禁哈哈大笑道：“马谡空有其名，必被我所擒矣！”
张郃先派出部分兵力，在陇山口据险而守，以阻挡魏延军可能的从后夹击。再派出副将率领突击队夜间渡河袭击街亭东北角负责水源保护的蜀汉特遣队。
张郃将部队分成数拨。第一拨选择最容易渡河的地方，分成数队个别行动，渡河成功者，立刻在南岸建立桥头堡，互相掩护。第一拨军队完成渡河后，其余第二、三、四拨大军，可旌旗整齐地摆出正兵姿态，堂堂渡过，以声势震慑伏布阵于半山上的马谡大军。
经验丰富的张郃，在到达战场的当晚，便派突击队渡河发动奇袭，蜀汉负责水源供应的部队措手不及，全部被抓。渡河成功的曹魏军，彻夜在渭河南岸完成桥头堡以掩护前锋部队的渡河行动。
接到突击成功及桥头堡工事完成的报告后，张郃天未亮便下令第一拨部队各就各位展开渡河行动，只要到南岸者立刻着手建立防御工事，以协助后续部队的到来，期间若遭到敌人攻击，一律由原先建立桥头堡的突击队抵抗，不得延缓工事的进度。
马谡在凌晨接到曹魏军突击水源部队的消息，立刻派特遣队前往调查，不久又接获曹魏大军开始渡河的消息，马谡下令全营备战，并派黄袭率领先锋军，下山攻击渡河中的部队。
黄袭的先锋部队，遭到曹魏临时桥头堡军队的顽强抵抗，由于曹魏军的防御工事陆续完成，黄袭部队无法有效地突破，眼看曹魏渡过河的部队愈来愈多，惊慌之中，竟下令部队退回半山上的营区。
等马谡到达前线时，张郃大军第一拨渡河行动完全成功，南岸边已建立整片的防御工事。马谡下令攻击，但曹魏兵在掩护下以箭雨抵抗，蜀军根本接近不得，只好暂时退回本阵中。
这时张郃已亲临渭水南岸，在建立好的大本营中，指挥第二、三拨大军渡河。蜀军在半山上往下望，只见满山遍野的曹魏军，渐渐进入作战位置。水源已被切断，山下曹军兵力更在数倍以上，蜀军将领和军士无不吓得面色惨白，士气逐渐崩溃。
不到一天，张郃的五万大军已完全渡河完毕，并在街亭平原上，将马谡大军团团围住了。
相反地，山上的马谡大军，一天没有水喝，也煮不成饭，靠着干粮勉强喂饱肚子，早已心慌意乱了。加上一眼望去满山遍野、军容严整的曹魏大军，蜀军哪有心情作战。马谡虽亲自率队往下冲，但很快便被击败。张郃又下令不得上山，马谡所设计的木石战具也发挥不了杀敌的功效，愈僵持下去对蜀军愈是不利。
天黑前，已有不少蜀军违背军令，下山向曹魏军投降，眼看士气已完全崩溃，李盛和黄袭建议放弃本营突围而出，马谡迟疑不决。
夜间，张郃下令沿山放火。火势虽不大，但火光更助长蜀军崩溃的心理，慌乱中，马谡率领本营军士下山突围。剩余的蜀军由山上舍命往下冲，曹魏军不能挡，张郃不愿造成不必要的损伤，下令放过马谡，重新布置防线，并安排招降山上蜀汉大军的事宜。
蜀汉大军群龙无首，只好全军向敌人投降。张郃在街亭获得全胜，俘虏了近万名蜀汉士兵，所获得的辎重更不计其数。
王平在西北角，见张郃渡河攻击，知道大势已去。他下令千余名部队，分成数组，尽量在隐蔽处部署，如有魏军攻来，便锣鼓大作，以为疑兵。
果然不久后，见到马谡带领残余部队前来投靠，后面又有不计其数的曹魏追兵。王平下令掩护马谡撤退，亲自在前线督阵，锣鼓喧天，制造疑兵。由于天黑，视线不良，张郃怕有埋伏，不敢过分冒险，乃鸣锣撤退，使蜀汉的军队损失减到最少。
魏延的支援军，在六盘山附近便得知街亭战败的消息。经验丰富的魏延知道，街亭一失，北征大军的补给线将被切断，诸葛亮势必退兵。自己的大军远在北边的安定郡，很可能成为孤军，而遭到全军覆没的悲剧，因此，不赶快行动是不行了。他派遣急使通知留守安定郡的部队，立即绕道六盘山北麓向陇西撤军，自己带着支援部队在六盘山西边接应，再共同前往与诸葛亮会合。
果然，在祁山本阵的诸葛亮，接到街亭战败报告，为顾及全军的安全，立刻下了撤军的指令。
他先将总部撤退至西城，重新布防，准备接应由前线陆续退回的北征部队。马谡和少数残兵首先返回本阵，向诸葛亮请罪，其余败军在王平的指挥下，安全退回，损失高达三分之二以上。魏延的前军军营历经千辛万险，勉强逃了回来，失散将近一半。
诸葛亮下令尚属完整的马忠大军殿后，部署于祁山南麓的建成，以阻挡曹魏追兵。为避免蜀汉军情泄露，诸葛亮下令将西城千余户民家，强制移往汉中，第一次的北征行动到此宣告失败。
《三国演义》描写诸葛亮自西城退军时，由于仓促中准备不及，在西城为司马懿的大军追上。不得已下，诸葛亮只好冒险，以“空城计”欺骗司马懿，勉强保住了生命。京剧中有名的“失空斩”，便在描述“失街亭”“空城计”和“斩马谡”的故事。但依历史记载，“空城计”这段情节是完全不可能发生的。
首先，一向谨慎的诸葛亮，不可能对退路完全没有准备。何况他的大本营在祁山东南，离街亭尚有一段距离，就算街亭败得突然，诸葛亮也不可能如此仓皇失措。再者，这次的北征行动，从头到尾，诸葛亮都未曾和司马懿交过手。自从在新城收斩孟达后，司马懿一直负责曹魏东战线的防务，根本未到过西战线。镇守在长安的是魏明帝曹睿本人，指挥街亭战役的是老将张郃，甚至后来收复凉州三郡，也是由大司马曹真指挥张郃和郭淮进行，司马懿怎么可能突然出现在西城附近呢？这显然是小说家杜撰的故事了。
得知诸葛亮主力在祁山后，防守邱县的曹真立刻向箕谷的赵云大军发动攻势，但由于箕谷地势险要，曹真空有数十倍兵力，一时之间也拿赵云没法子。
街亭败讯一传出，赵云判断诸葛亮必会撤军，曹真也必乘势发动猛攻，下令原先布置各险要地段、虚张声势的蜀军，立刻迅速集结，选择几个要害关口，以防曹真发动猛攻。
果然不久，曹真军便全面发动雷霆万钧的攻势，赵云料不能守，下令由邓芝集结辎重和部队，有秩序地先行撤退。他自己率领少数直属部队殿后，烧毁栈道，让曹真军无法越过箕谷，以确保汉中和褒城的安全。在这次北征的败退行动中，只有赵云大军全军而退，兵员、装备和辎重损失非常少。
回到汉中后，检讨战败责任，总指挥官诸葛亮难辞其咎，他上书后主刘禅表示：
为臣才能疏弱，却窃居军政职上，如今亲自率领三军北伐，不能训章明法，碰到危难又判断错误，以致有街亭之役，马谡违背军令遭致惨败的缺失，箕谷方面也无力有效防守。此乃为臣的过错，用人不当所致。臣有不知人之罪，领导上亦显无能。春秋大义，任何失败，责任都在总帅，为臣自必须承担此过，请自贬官职三等，以处罚监督失败的责任。
后主刘禅依照诸葛亮的要求，贬诸葛亮为右将军，但仍行丞相事，照常总揽军政大权。赵云虽是预备师，却是偏师之主帅，自然也应负起战败责任，把他由镇东将军，贬为镇军将军。
魏延本身是受害者，自然不用负责。马忠军负责殿后，也无过错，所以不作任何奖惩。
其实，在这次撤退行动，表现最佳的应算是赵云，面对曹真的主力部队，老将军自己殿后，使军队损失降到最少，实在是了不起的行为。诸葛亮从邓芝口中，了解赵云在指挥撤军行动中所显示的智慧、责任和勇气，深为感动。他把赵云带回的军资余绢，分赐给将士们，但却被赵云郑重其事地拒绝，他表示：“军事上失利了，怎么能够接受赏赐呢？”他请求将这些赏赐全部存入国家的府库中，留作十月时的冬天赏赐用。
打从年轻时起，赵云一直就是位勇敢、负责又能顾全大局的将领，也最能替国家、部属和人民着想，他品格高尚，尽忠职守，一直深为诸葛亮所钦佩。
责任最重的自然是马谡、李盛、黄袭和王平了。但王平曾经对马谡进谏，且在最后的撤退行动中，主动以少数兵力掩护战败的主军，功大于罪，不但不被处罚，还加拜参军，统五部兼掌管事，进位讨寇将军，封亭侯，是这次战役唯一得到重赏的将领。
王平这位蜀汉后期的著名将领，正是在这次大败仗中，以优异表现而崭露头角的。
王平字子均，巴西宕渠人，他在洛阳投入曹军，由基层干起，后在汉中之役投奔刘备，拜牙门将和裨将军。他行伍出身，手不能书，所识不过十字，但头脑清楚，组织力甚强，口授而成的作战计划，颇有条理。和马谡的言过其实、好论军计，正好形成鲜明的对比。
街亭战役的主要干部李盛判处死刑，黄袭被废为庶人，罪责最重的自然是现场指挥官马谡了。
《三国志·诸葛亮传》中记载：“遂戮谡以谢众。”军士损失惨重，马谡自然是非杀不可。但“马良传”中则记载：“诸葛亮判马谡下狱监禁，不久死于狱中，诸葛亮为之感伤流泪。”这里没有讲明马谡被斩杀，但下狱不久后死去应属实，而且诸葛亮还颇为感伤。
《资治通鉴》根据两者说法，再加上《襄阳记》中有马谡死后诸葛亮亲自临祭的记载，表示：“诸葛亮将马谡下狱而后杀之，亲自吊祭，为之落泪，并且抚养马谡的遗孤，恩赐如同马谡生前。”
依史料判断，马谡应是被斩杀的，因为宰相府首席参军蒋琬曾替马谡求情道：“古时候，楚成王因战败之责，杀害大将成得臣，楚国的敌人晋文公闻之，非常高兴，像晋文公这样的心理是可以理解的，在天下未定之时，杀害有智慧又善于谋略的将领，岂不是太可惜了吗？”
诸葛亮回答道：“孙武所以能制胜天下者，在其用法严明也。如今四海分裂，正必须依赖战争以解决问题，若是军中法令不行，又如何有效地讨贼？”由此可见，马谡是被处以军法的。
马谡在狱中，曾上书诸葛亮表示：“明公视我马谡犹如儿子，马谡也视明公如父亲，希望明公能发挥舜诛杀鲧而提拔大禹的精神，让我们平生的交往，不要因为这件事而中断受损，我虽死于黄泉之下，却无遗恨也。”
马谡知道自己罪行深重，非死不可，希望的只是诸葛亮不要迁怒于其家族，仍能重用马家之人。
裴松之在《三国志》注解中，引《襄阳记》中故事，马谡被杀，蜀汉军民感其才华，无不悲叹流泪。对这件事不得不用重刑，相信诸葛亮的确是非常伤心的。
诚如《三国演义》作者罗贯中的描述，诸葛亮痛哭马谡，一方面固然是念及马谡的才华及彼此间的交情，但另一方面也是严厉的自责行为。刘备临终前，特别交代马谡言过其实，不可委以重任，诸葛亮却为了破格提拔马谡，一时欠缺深思，以致酿成大错，的确“有伤先帝之明”，因而悔恨不已。
后世小说和戏剧中“挥泪斩马谡”的情节，描述的便是诸葛亮这种深为自责的心理挣扎过程。