司马懿作为诸葛亮的老对手，双方交战无数，在诸葛亮北伐的时候，司马懿还给了诸葛亮有力的一击，就是卤城之战。卤城之战是诸葛亮第四次北伐祁山，蜀军和魏军在卤城可能发生的战役。

太和五年（231年）诸葛亮四伐魏国，司马懿应战。双方在卤城大战，诸葛亮败于司马懿之手，史称卤城之战。不过，对于其中的一些细节，不同的史书有不同的记载。

太和三年（229年），蜀相诸葛亮第三次出兵攻魏，并占据武都（今甘肃陇南武都区）、阴平（今甘肃文县西北）二郡。太和四年（230年），魏明帝曹叡决定兴师伐蜀。升司马懿任大将军、加大都督、假黄钺，与大司马曹真一起伐蜀。八月，魏明帝命曹真率主力由长安入子午谷，左将军张郃出斜谷，司马懿自荆州溯汉水出西城，将兵分三路会攻汉中。司马懿从西城开拓道路，水陆并进，沿着沔水逆流而上，直达朐忍，攻克新丰县，驻军丹口，后遇大雨班师。

太和五年（231年）二月，诸葛亮率军第四次北伐魏国，包围祁山贾嗣、魏平部，并以木牛流马运输粮草，曹叡派司马懿西驻长安防御蜀军。司马懿留部将费曜、戴陵率4000人守邽，自率主力西救祁山。张郃劝司马懿分兵驻扎雍、郿两地，以作大军后镇，司马懿不同意。进军隃麋。后来，双方爆发了卤城之战。

曹魏因大将曹真病重，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。

司马懿先派费曜、戴陵与四千精兵前往上邽防守，自己则率其他兵力随后前进。张郃则认为该分兵驻守雍、郿，但司马懿认为若分军不及合军有利，便向西推进。

诸葛亮知道后，留下王平继续领军攻打祁山堡，自己率主力北上上邽。到达上邽附近麦田后，没有等待收割一个月就成熟的麦粮，只对麦田进行了芟除破坏。据汉晋春秋所载，郭淮戴凌为保护麦田，仅帅四千人主动进攻诸葛亮主力部队，为亮所破，此说不为正史所载，仅四千人主动进攻又颇为费解，故此说存疑。司马懿军也为保护麦田，日夜兼程急行军抵达上邽之东，司马懿深知汉军劳师远袭，粮食补给困难，兼之魏军经过通宵达旦的行军已为疲惫之师，因而凭险坚守，拒不出战，诸葛亮便回军卤城，未能彻底破坏上邽麦田，使得这批粮食成了乏粮魏军与之对峙的资本。

司马懿进军卤城，但却登山掘营，与汉军对峙，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！

对峙一段时间后，诸葛亮撤出对祁山的包围，将全部军队集中在卤城，司马懿派张郃打通了和祁山堡的联络，并命他攻卤城以南的的王平，由案中道进逼汉军。自己则率众进攻卤城以北的诸葛亮主力，力图以钳形攻势，击败诸葛亮。

此次战役的结果，不同的史书有不同记载。在《晋书·宣帝纪》中，司马懿大胜蜀军； 但在《汉晋春秋》中，诸葛亮力挫魏军。另外，在《三国志·张郃传》中，没有司马懿督张郃，也没有写出张郃追击的原因，“诏郃督诸将西至略阳，亮还保祁山，郃追至木门，与亮军交战，飞矢中郃右膝，薨。”；而在《魏略》中则记载是司马懿不听张郃的劝阻，强行命令张郃追击，“宣王（司马懿）使郃追之，郃曰：“军法，围城必开出路，归军勿追。”宣王不听。郃不得已，遂进。蜀军乘高布伏，弓弩乱发，矢中郃髀。”历史究竟如何，尚不能下定论。