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公元231年（建兴九年），前庲降都督李恢逝世，蜀汉朝廷任命张翼为庲降都督，兼绥南中郎将，驻牂牁郡平夷县，出震南中。这年春天诸葛亮开始第四次北伐，再战祁山。又招揽鲜卑人轲比能，轲比能起兵到石城响应蜀军。
曹魏同时还接到报告说：“吴国的朱然也领兵过了荆城开始南征。”卫臻说：“朱然是东吴的一员猛将，孙权这次只不过作出南征的样子，做做幌子罢了。”没过多久，孙权果然召朱然进驻居巢，然后进攻合肥。
因曹魏大将曹真病重，曹睿改派司马懿为统帅屯于长安，领张郃、费曜、戴陵、郭淮等人抵抗。随军出征的当然还有司马懿的两个儿子司马师和司马昭。汶山郡羌人趁诸葛亮北伐之际而作乱，张嶷被拜为牙门将，属将军马忠，张嶷时有士兵三百人，随马忠讨伐叛乱。马忠又以张嶷为先锋，别督数营先行。张嶷于山上四五里扎营，而汶山羌于山间扼要立石门，门上作床，床上放了很多大石头，若有人从此过，都被石头砸的粉身碎骨。张嶷没法发动进攻，于是派遣使者前往告诉叛羌：“你们羌人在此作乱，伤害无辜，天子下令将要灭了你们，你们如果投降，我们便会给你资助，让你们在此安居乐业，如果不从，大军一到，就会将你们全部碎尸万段，到时候你们后悔也来不及了。”于是一些头目便率军向张嶷投降。那些不投降的奔窜到山谷里，张嶷放兵追击，全部克定。
在蜀国与魏国的交战时，吴国诸葛瑾长子诸葛恪初长成。诸葛恪幼时诸葛瑾面孔狭长像驴的面孔。一天，孙权召集大臣们，差人牵一头驴来，在驴的脸上挂一个长标签，写上：诸葛子瑜。诸葛恪跪下来说：“乞求给我一只笔增加两个字。”于是任凭给他笔。诸葛恪接下去写了：“之驴。”在场的人都笑了。于是孙权就把这头驴赐给了诸葛恪，称其为“神童”。这便是“诸葛之驴”的典故，表现了诸葛恪的才华。
公元222年（黄武元年），诸葛恪弱冠后即被拜为骑都尉，与顾谭、张休等人随侍太子孙登讲论道艺，成了太子的宾友。后来，诸葛恪又从中庶子转任左辅都尉。一次，孙权见到诸葛恪，问他：“你的父亲和你的叔父（指诸葛亮）谁更优秀？”诸葛恪应声回答：“我的父亲更优秀。”孙权问他原因，诸葛恪说：“我的父亲知道应该服侍谁，而叔父不知，所以我的父亲更优秀。”孙权听罢大笑，便命诸葛恪依次给大家斟酒，斟到张昭面前，张昭先已有了几分酒意，不肯再喝，对诸葛恪说：“这样的劝酒恐怕不符合尊敬老人的礼节。”孙权说：“你能否让张公理屈词穷，喝下这杯酒？”于是诸葛恪反驳张昭：“吕尚年九十，依然高举白旄，手持兵器，指挥部队作战，还没有告老退休。如今军队上的事，将军您跟在后边；聚会饮宴的事，将军您总被请到前面，这还不够尊敬老人？”张昭无话可说，只好饮酒。后来蜀国有使者到来，群臣集会。孙权对蜀国使者说：“这个诸葛恪很喜欢骑马，回去告诉诸葛丞相，为他的侄子选一匹好马送来。”诸葛恪当即跪在孙权面前拜谢，孙权感到奇怪，问他：“马还没有到为何就当面称谢呢？”诸葛恪说：“蜀国就好像陛下在外面的马厩，如今有了旨意，好马就一定能送到，我如何敢不谢呢？”
曾有白头鸟聚集在宫殿前，孙权问道：“这是什么鸟呢？”诸葛恪答道：“这是白头翁。”张昭认为自己是座中年龄最大的，怀疑诸葛恪利用鸟来戏弄他，于是说：“诸葛恪欺骗陛下，未曾听过有鸟名叫白头翁的，试一试让诸葛恪再找出一只白头婆来。”诸葛恪说：“鸟名鹦母，不一定就有与它名字配对的，试一试让辅吴（张昭）再找出一只鹦父来。”张昭不能回答，在座的人都欢声大笑。这类表现诸葛恪才思敏捷、善于应对的事还有很多。
孙权觉得他不同凡响，想考察他的能力，任命他为代理节度，掌管部队的粮食供应，这个工作往来文书繁琐，他不太喜欢。
诸葛恪曾多次要求自己领兵平定居于丹阳山上的山越人，诸葛恪认为丹杨山势险峻，民风果敢刚劲，以前虽也在那里征发过兵众，但征的不过是边缘县分的平民，很少有深远腹地的人。想去把那里的兵员全部调发出来，并说，只要三年，就可征得甲士四万人。朝中官员议论纷纷，都认为丹杨地势险阻，地形四通八达，那里的百姓自制兵器，崇尚习武，出山就为强盗，朝廷出兵征讨就躲回山中不见踪影，自汉朝以来就无法管制，当时的人皆认为不太可能，连父亲诸葛瑾亦认为不会成功，更说：“恪儿不会使诸葛家兴盛，反而会令家族遭受灾祸。”
此时诸葛亮与司马懿在祁山的较量正酣。诸葛亮出兵，拿出一模具，正是妻子黄月英制造的木牛流马。并有手书一纸，诸葛亮念道：“方腹曲头，一脚四足；头入领中，舌着于腹。载多而行少，独行者数十里。曲者为牛头，双者为牛脚，横者为牛领，转者为牛足，覆者为牛背，方者为牛腹，垂者为牛舌，曲者为牛肋，刻者为牛齿，立者为牛角，细者为牛鞅，摄者为牛轴。牛仰双辕，人行六尺，牛行四步……”来解决运粮问题，其载重量为“一岁粮”，大约四百斤以上，每日行程为“特行者数十里，群行三十里”，为蜀国十万大军提供粮食。诸葛亮大喜下令照此制作。
司马懿先派费曜、戴陵与四千精兵前往上邽防守，自己则率其他兵力解救祁山。张郃向司马懿建议：“末将认为分兵驻守雍、郿为上计。”司马懿说：“但是若分军则不及合军有利。”于是向西推进。诸葛亮知道后，留下王平继续领军攻打祁山，自己率主力迎战司马懿。
诸葛亮设下埋伏，用弓箭手击退魏军。魏军称：“未见此连弩。”称作“诸葛连弩”，一次同时射出十箭。司马懿受挫。就在这时，副将张虎和乐綝带来牵招大破轲比能的消息，司马懿大笑：“看来诸葛亮将退兵了。”
魏将郭淮、费曜在上邽被打败，并收割了魏军的麦粮，与司马懿军在上邽之东遇上，司马懿深知蜀军劳师远袭，粮食补给困难，因而凭险坚守，拒不出战，诸葛亮便回军卤城。
司马懿进军卤城，但却登山掘营，与蜀军对峙，不与交战。张郃认为蜀军从远来攻，“孤军食少”，必然想要速战速决。所以应该以大军屯于此处，然后分为奇兵，包抄蜀军，截断其后路。但司马懿不采纳。魏军将领数次请战，司马懿都不准，诸将十分不满，便讥笑他：“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”。在众将的一再要求下，司马懿不得已派张郃攻于南围的无当监王平，由案中道进逼蜀军，自己则率众迎击诸葛亮。诸葛亮派大将魏延、高翔、吴班分三路领兵作战，大败魏军，光斩获魏军低级军官的首级就有三千多人，获得战利品玄铠五千、角弩三千多。从此司马懿再不敢轻易出战。
蜀国那边，夏秋之季，正逢阴雨连绵，负责运送粮草的李严,粮草运输供应不上，派参军马忠、督军成藩传话给诸葛亮，让他撤军，诸葛亮见轲比能已退，只好退军。李严听说军队已撤退，于是又故作惊讶，说：“军粮充裕，怎么又退军呢！”用意在于解脱自己督办粮草不力的责任，显出诸葛亮延误战机的错误。他又上奏后主，说“军队伪装撤退，其实是用来引诱敌人好与其决战”。司马懿欲遣张郃追击蜀军，张郃认为“围师必阙，归师勿遏”，不赞同追击未被被打败而主动撤退的蜀军。但司马懿坚持要张郃领兵追击，张郃无奈前往追击。赶到木门道口，魏延拨回马，高声大骂曰：“张郃逆贼！吾不与汝相拒，汝只顾赶来，吾今与汝决一死战！”张郃十分忿怒，挺枪骤马，直取魏延。延挥刀来迎。战不十合，延大败，尽弃衣甲、头盔，匹马引败兵望木门道中而走。张郃杀得性起，又见魏延大败而逃，乃骤马赶来。此时天色昏黑，一声炮响，山上火光冲天，大石乱柴滚将下来，阻截去路。张郃急回马时，背后已被木石塞满了归路，中间只有一段空地，两边皆是峭壁，张郃进退无路。忽一声梆子响，两下万弩齐发，将张郃并百余个部将，皆射死于木门道中。（张郃被箭射中膝盖，后伤重阵亡。）曹叡非常痛惜张郃的死，临朝而叹道：“蜀地还没有平定张郃却死了，该怎么办呢！”陈群说：“张郃的确是良将，是国家的依靠。”卫尉辛毗则以为张郃虽然可惜，但毕竟已死，不应示弱。于是向陈群说：“陈公，这是甚么话呢！当建安之末，天下不可一日没有武皇帝（曹操），及后委以国祚，而文皇帝（曹丕）受命，黄初之世，亦说天下不可无文皇帝，至其委弃天下，而陛下亦自龙兴。如今国内所缺乏的，又岂会是张郃呢？”陈群便道：“确实如同辛毗说的那样。”曹叡笑说：“陈公可称得上善变啊。”
诸葛亮出征前对李严说过：“上计断其后道。中计与之持久。下计还住黄土。”李严运粮不及时，听到李严的微词，心中厌恶李严。反而问他：“军粮饶足，何以便归？”便将李严的前后书疏原本手迹递上去，李严的错误和矛盾一下子暴露无遗。李严辞穷理屈，只得叩头认罪。
于是诸葛亮上奏弹劾李严说：“自从先帝驾崩，李平的心思全想着家庭，尚且搞些小恩小惠，只想平稳处世求名，全不忧虑国家大事。为臣北往出兵，希望让他带兵前往镇守汉中，李严再三借口推辞，并无前来汉中之意，反而想把五郡连并起来，自己作巴州刺史。去年为臣打算西征，想让李严主管镇守汉中，李严却说司马懿等在那边开府召聘人士作大官。为臣心里明白李平鄙陋心理，是想借我临行之机逼我给他一些利益，于是为臣上表奏任他的儿子李丰主管江州事宜，给他如此的破格待遇，本想解决一时的急务。李严上任后，为臣将大小事权全部委付于他，朝廷上下都奇怪我为什么这样的厚待李严。正是因为国家大事未定，汉室倾危，与其揭批李严之短处，不如对他褒扬鼓励。只是认为李严本性不过是为了得到一些荣誉、利益而已，哪料到他竟然存有颠倒是非之心，以致如此。如果这种人和事任其存在下去，必将导致国家的祸败。这是为臣愚暗，说多了徒增愧咎之情。”于是废李严为民，流放梓潼郡。
就这样魏国元帅司马懿和蜀相诸葛亮都在政治上少了一个重要的阻碍，张郃和李严注定是两位智才的垫脚石。
北伐大军撤还，马忠统军前去讨伐在汶山郡作乱的羌人。羌人于山间扼要处设置石门，并于石门上作床积放石头用以攻击，欲借此抵抗汉军的进攻。马忠以牙门将张嶷为先锋进讨，张嶷巧用使者恫吓羌人，羌人部分头目惊惧而降，余众逃窜山谷，大军趁机进攻，彻底讨平作乱的羌人。