汉魏两国皆调兵遣将，汉中保卫战打响。
曹真一路，在子午谷每前进一步，都遭到汉军将士顽强阻击。汉军依险设围，每围十几或几十人不等，居高临下，用诸葛连弩射杀魏兵。
魏兵起初见汉围射完一箭，便喊叫着前冲。不料汉围上弦极快，竟能一口气连射数箭。魏兵措手不及，尸横遍野。
先锋夏侯霸大怒，身披两重鳞甲，持盾上前，不顾飞箭滚石，亲自拔除围前鹿角。夏侯霸数次先登破围，魏军自以为得志。
到九月初，夏侯霸拔除了子午谷几乎所有据点。王平率汉军退守兴势围，兴势围背后，就是诸葛亮所驻守的汉城。
而此时的张合一路，与廖化僵持在曲折的山路中，仅将斜谷外围的据点拔除，便再也动弹不得。
司马懿一路，水陆并进，攻打汉水沿岸各处营寨。汉军在水上顺流而下，又得连弩发威，大败魏军水兵。汉军在陆地上皆深沟高垒，所用刀枪又都是精钢所造，锋利异常。魏军叫苦连天。
一日，司马懿暗中巡营，听帐内士兵说：“这样死磕硬打，害惨了我们兄弟，只成全了这些老爷们的富贵。”
懿闻言，归寨升帐，聚众将到帐下，令揪出乱言士兵。懿叱道：“朝廷养军千日，用在一时。汝安敢出怨言，以慢军心？”
其人不招。懿叫出同伴之人对证，士兵不能抵赖。懿曰：“吾非为富贵，欲胜蜀兵；而是希望汝等有功回朝。汝乃妄出怨言，自取罪戾。”喝令推出去。须臾，献首帐下。
全军悚然。
懿曰：“汝等诸将皆要引以为戒。听吾号令，奋力向前，我自会表奏天子，为尔等计功。”
全军不敢懈怠。
自此，司马懿连拔汉军数座营寨，一直打到南乡县城。汉军坚守县城和外围营寨，互为犄角，魏军一时难以攻克。
郭淮、孙礼一路，南下至武威地界，迎面遭遇北上的文长、子远。
鼓角齐鸣，两军在平原上排开阵势。郭淮、孙礼见汉军以八阵法迎击，不敢接战，下令后撤。文长，子远则乘胜追击。
魏军且战且退，汉军且战且进，一直到阳溪界首。
忽然，马蹄声山响。郭淮四下望去，见右翼和背后烟尘滚滚，两股骑兵大队飞驰而来。郭淮仔细观瞧，背后来的是羌族骑兵，右翼来的是氏族骑兵。
孙礼慌忙说：“是敌是友？”
郭淮说：“马超的堂弟在蜀中任职，不可能是友。”
果然被郭淮言中，马岱说服羌、氏族王出兵协助，哨马探知魏军从武威一路退至阳溪，因此追到阳溪包抄魏军后路。
羌骑兵切断魏军后路，氏骑兵突破魏军右翼，汉军从正面撕开魏军方阵。魏军人人丧胆，一溃千里。郭淮、孙礼抱头鼠窜，扔下遍地的尸体。
文长对子远说：“将军可分一支兵断绝魏军粮道；我引一支军前往斜谷，与丞相夹击张合”
子远依计，引三万军向长安方向进发，威胁曹真大军粮道。文长一面引军向斜谷进发，一面命人飞报汉中，与诸葛亮相约夹击张合。
探马飞报曹真，曹真大惊。夏侯霸说：“郭淮有失，眬右震动。蜀军必来袭我归路，宜速退。”
曹真依计，命前队变后队，后队变前队，由夏侯霸殿后，向长安急退。
张合闻讯，也向长安急退。
诸葛亮收到文长捷报，此时曹魏大军皆遁入山谷之中，便命王平追击曹真，他与关兴引一万精兵追击张合。
九月份天降暴雨，汉魏两军都在湿滑泥泞的山路中奔驰。夏侯霸负责殿后，行动略缓，渐渐被曹真甩出几十里开外。
王平引一支军从正面咬住夏侯霸，又分一支军翻山岭小路，断其退路。
暴雨之中，夏侯霸正阻击王平，忽然，一队汉军从山林中闪出，截断后路。汉军在电闪雷鸣中大呼：“还不早降！”
夏侯霸人心大乱，汉军迅速将其合围。夏侯霸左突右冲，无法脱身，只得靠树持枪，困兽犹斗。
就在这时，北面汉军散乱，一队魏兵突入。夏侯霸大喜，随救兵杀出。原来曹真见夏侯霸离大军过远，恐其有失，特派一队前来接应，正遇夏侯霸被围，将其救走。
再说张合一路，刚退出谷口，就见大队汉军斜刺里赶来，为首一员大将，正是文长。身后廖化又紧追不舍，诸葛亮引大军也疾驰而至。
张合大叫：“今有死而已！众将不可惜命，奋力向前，方可搏生！”
说完，纵马挺枪，率队冲击文长。文长此时刚到，还没来得及列阵，便遇张合死命冲击，无法抵挡，被张合走脱。
张合军殿后的戴陵，被廖化咬住，无法脱身。这时文长又重整队伍，包上来。
戴陵浑身湿透，眺望远去的张合哭嚎道：“张将军弃我也！”
张合突出重围，隐约听到乱马军中有人撕心裂肺的唤自己。他回头望去，见层层汉军困戴陵在垓心，狂风暴雨中，戴陵众人望眼欲穿的看向自己。
张郃拨马转身，又杀入重围。郃在万军之中，英勇倍加，往来冲突数次，直至救出戴陵所有被困士兵方回。魏军士气由此大振。
诸葛亮在高处，对左右说：“尝闻三将军当年大战张郃，人皆惊惧。吾今日见之，方知其勇也。张郃智勇双全，真乃中原名将。”
张合收拢败兵，退往长安去了。司马懿见状，也退兵回上庸去了。
诸葛亮一面收兵回汉中，一面教马岱载大量蜀锦、马匹、钢刀、金银馈赠羌王、氏王。
汉军凯旋而归，诸葛亮犒劳三军，重赏有功将士。此战文长战功最高，封汉征西大将军，南郑侯；马岱次之，封汉平北将军；其他将士，也皆按功封赏。
李严欲归江州，诸葛亮说：“东吴与国家交好，不会来犯。正方就留在汉中，合力北伐。”
于是诸葛亮任命李严总管丞相府事，负责后勤军需。李严由坐镇一方的大员变为诸葛亮的直属下级，恨意更深。
再说曹真空耗钱粮，损兵折将，败回长安，又闻朝中百官多有讥讽弹劾之意，羞惭无地，气成疾病，卧床不起。
细作报知诸葛亮。诸葛亮轻摇羽扇，对众将说：“今曹真病重，吾写下一药方，教秦良的降兵持与曹真。真若见之，管包药到病除。”
遂唤降兵至帐下，说：“汝等皆是魏军，父母妻子多在中原，不宜久居汉中。今放汝等回家，若何？”
降兵泣泪拜谢。诸葛亮说：“曹子丹与吾有约。吾有一书，汝等带回，送与子丹，必有重赏。”
降兵领了书，奔回长安，呈与曹真。真扶病而起，拆封视之。
内容如下：“汉丞相、武乡侯诸葛亮，致书于大司马曹子丹之前：窃谓夫为将者，能去能就，能柔能刚；能进能退，能弱能强。不动如山岳，难测如阴阳；无穷如天地，充实如太仓；浩渺如四海，眩曜如三光。预知天文之旱涝，先识地理之平康；察阵势之期会，揣敌人之短长。嗟尔无学后辈，上逆穹苍；助篡国之反贼，称帝号于洛阳；走残兵于子午，遭全歼于阳溪；水陆困乏，人马猖狂；抛盈郊之戈甲，弃满地之刀枪；都督心崩而胆裂，将军鼠窜而狼忙。无面见关中之父老，何颜入相府之厅堂？史官秉笔而记录，百姓众口而传扬：仲达闻阵而惕惕，子丹望风而遑遑。吾军兵强而马壮，大将虎奋以龙骧；扫秦川为平壤，荡魏国作丘荒。”
曹真恨气填胸，撕碎书信，死于床上。魏将用兵车装载，差人送赴洛阳安葬。
睿闻知曹真被气死，悲痛万分，传旨不准再诽谤大将军曹真，命人将此次灭蜀失败定为：百年不遇之暴雨，加之山路险阻，粮草转运艰难，故而退兵。
然后升司马懿为大都督，总管雍、凉、关中兵马；升张合为车骑将军，副都督，辅之。
司马懿与张合来到长安，张合说：“诸葛亮多次犯我眬右，皆出祁山。我可在祁山要冲上筑一要塞，以防蜀军。”
司马懿依计，命人在天水郡最南端的卤城县南郊二十里处，建起一座城堡。令牙门将魏平引四千精兵守把，里面屯积足够守军五年食用的粮草。
汉建兴八年，雍、凉二州全年干旱无雨，颗粒无收，只有天水郡清水县因为毗邻渭河，得以幸免。
细作报入汉中，诸葛亮召集众人商议，说：“曹魏势大，国家每次北伐，敌都有几十万军对抗，极难动摇。今眬右干旱，若我能抢收清水小麦，使敌几十万大军无法就地取粮，只能从关中千里补给，其势必弱。国家可趁此歼敌主力，全据雍、凉，众位以为如何？”
长史杨仪说：“眬右干旱，的确是机会；可我连番用兵，汉中已无存粮，如何北伐？”
“可从西川供给粮草”
“成都至汉中，就要翻越千里山路，再从汉中转运至前线，困难重重。而且人吃马嚼，损耗极大。”
诸葛亮因此为蜀道中转运粮草而发愁，常与工匠们研究对策。经过数月改良，两川能工巧匠发明出一种新式运输工具，叫作“木牛流马”。
诸葛亮亲往验收。此木牛流马上为长方形，下为椭圆形，一轮两足，后有把手，车宽不到半米，极适合狭窄山路行进。每车可载一人一月之粮米，由一力夫持把手推行即可，不费草料。
诸葛亮又唤众将前来观瞧，众将大惊：“自古及今，未闻如此之事。不料丞相竟能创此奇物。”
“非我之能，皆人民之力”
这时，一名工匠说：“我弟弟在山中砍柴，闻丞相为粮草所苦，愿献上一草给国家。”
诸葛亮满面红光，召这位农民来见。此人眉宇之间带有一股英气，竟与诸葛亮颇为神似，身材高大，也与诸葛亮相仿，只是没有胡须。
诸葛亮笑道：“难道我们是失散多年的兄弟？”
众人也都称奇。
寒暄毕，农民捧出一草，说：“我在山中砍柴，常食此草充饥。此草叶根都可生吃，无需煮熟。平时采叶而吃，不久叶可自长，冬天则可刨出其根，也能充饥。”
诸葛亮接过此草，叶大根圆，食之似菜味。诸葛亮双眼放光，令军士在两川粮道上广种此草，供力夫沿路食用。
后人将此草称为：孔明菜，今人改称为：卷心菜。
诸葛亮又令工匠赶制木牛流马，数月之后，木牛流马皆造完备。上山下岭，各尽其便。众军无不欣喜。
诸葛亮令李严在成都筹备粮草，拨五万运输队驾使木牛流马，自成都直抵祁山前线，往来搬运粮草。木牛流马省去了牛马所需的草料，孔明菜减少了力夫沿途所消耗的粮食。
后人作诗云：剑关险峻驱流马，斜谷崎岖驾木牛。蜀道遍种孔明菜，输将安得使人愁？
解决了粮草难题，诸葛亮决定出师北伐。
汉建兴九年，公元231年春，诸葛亮起精兵五万，并运输队五万，共计汉军十万，出祁山直奔天水郡而来。
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