Khác với các chiến dịch Bắc phạt lần trước, trong chiến dịch lần thứ 5, quân Thục đã tranh thủ sự trợ giúp của quân Ngô. Gia Cát Lượng vẫn tiếp tục chủ trương xây dựng liên minh Tôn-Lưu để kháng Tào bởi lẽ: Nếu triều đình nhà Thục mang đại quân đi đánh Ngụy, thượng sách của Tôn Quyền là chiếm một phần đất đai của Ngụy đế, còn hạ sách là đi biểu dương vũ lực ở trong nước, chứ tuyệt đối không ngồi yên mà nhìn. Thêm nữa, Thục Hán Bắc phạt thì Đông Ngô sẽ không lo lắng về mặt phía Đông, binh sĩ Nam sông Hoàng Hà của Ngụy cũng không thể rút hết về phía Tây vì phải đề phòng cuộc tập kích của Tôn Quyền.
Năm 234, sau mấy năm chuẩn bị, Gia Cát Lượng tiếp tục mang quân đánh Ngụy. Ông lại dẫn 100.000 đại binh tiến theo đường Tà Cốc, mở đầu cuộc chiến tranh Bắc phạt lần thứ năm, mặt khác sai sứ thần sang hẹn với Tôn Quyền cùng tấn công. Lần này ông ta cử người mang thư sang Giang Đông, đề nghị Tôn Quyền "lấy danh nghĩa đồng minh, lệnh các tướng đi chinh phạt phương Bắc, bình định Trung Nguyên".
Lần này quân Thục được sự ủng hộ của phía Ngô, đồng minh quân sự đã phát huy tác dụng. Điều đó khiến cho nước Ngụy đầu và đuôi không quan hệ được với nhau. Tôn Quyền sau khi nhận được thư của Gia Cát Lượng đích thân đem quân xuất chinh. Mặc dù Tôn Quyền bị Nguỵ Minh Đế nước Ngụy đánh lui, nhưng cũng đã kiềm chế đáng kể lực lượng quân Ngụy.
Tháng 4 năm 234, quân Thục hành quân đến huyện My. Lúc này quân đội do Tư Mã Ý thống lĩnh đã đến bờ Nam sông Vị Thủy. Trong chiến dịch lần này, Tư Mã Ý một lần nữa biết rằng vấn đề của quân Thục chính là tiếp lương, và ra lệnh cho Tư Mã Chiêu giữ quân phòng thủ đợi quân địch mệt mỏi. Tư Mã Ý khai thác thế yếu của quân Thục là mới hành quân từ xa đến, vận chuyển lương thực khó khăn, quyết định thủ để công, nhờ yếu tố thời gian làm cho quân Thục phải tan rã. Tư Mã Ý vẫn sử dụng chiến thuật cố thủ không ra đánh.
Hai đội quân đã đối đầu tại đồng bằng Ngũ Trượng. Tư Mã Ý áp dụng kế sách đóng cổng thành không chịu ra giao chiến, mặc cho quân Thục khiêu khích. Tư Mã Ý biết rằng quân Thục hành quân từ xa đến, thì việc tiếp tế chi viện sẽ hết sức khó khăn, chỉ cần giữ vững thế trận không ra giao chiến trong một thời gian dài, thì binh lực của quân Thục sẽ dần dần bị hao tổn, khi đó quân Ngụy sẽ chớp thời cơ thuận lợi đánh một trận, giành thắng lợi quyết định.
Gia Cát Lượng biết rõ tác dụng lợi hại của chiến thuật phòng thủ trường kỳ đó, liền cử quân sĩ đến dưới chân thành mắng nhiếc quân Ngụy rất thậm tệ, nhằm chọc tức Tư Mã Ý, hi vọng ông ta xuất quân ra đánh nhau với quân Thục, nhưng quân Ngụy giả vờ như không nghe thấy, tiếp tục án binh bất động dù nhiều lần bị Gia Cát Lượng khiêu chiến, Tư Mã Ý không cho quân tấn công. Mỗi lần sứ giả quân Thục sang doanh trại của quân Ngụy, Tư Mã Ý chẳng bao giờ đả động đến việc quân, chỉ hỏi thăm về cuộc sống của Gia Cát Lượng.
Để kích động Tư Mã Ý, Gia Cát Lượng vận dụng phép khích tướng là gửi vào trong thành một bộ áo quần phụ nữ, ám chỉ rằng ông ta chỉ là một mụ đàn bà không dám tấn công. Đồng thời kèm theo một bức thư với nội dung như sau: "Trọng Đạt chui rúc trong thành không giám ra nghênh chiến, thì có khác chi đàn bà, nếu muốn xưng danh là người quân tử và còn biết liêm sĩ, thì hãy ra ngoài thành đọ tài cao thấm, nếu không thì hãy mặc bộ quần áo này vào".
Các viên tướng Ngụy tức điên, vì xưa nay người xưa có câu: Sĩ khả sát, bất khả nhục (Kẻ sĩ thà bị chết chứ không chịu nhục). Rõ ràng bức thư đầy những lời lăng mạ đó đã khiến cho Tư Mã Ý tức giận nhưng vốn là con người đa mứu túc trí, tính toán giỏi nên đã biết cách nén cơ giận và trấn an quân sĩ, ngồi chờ đợi thời cơ.
Ngoài việc điềm nhiên. Để dỗ dành các tướng lĩnh, Tư Mã Ý yêu cầu Hoàng đế Ngụy Tào Duệ cho phép tấn công quân Thục. Tào Duệ đã biết việc này, phái người tới chỗ Tư Mã Ý thuyết phục quân lính bình tĩnh. Đồng thời Tư Mã Ý không bàn luận các vấn đề quân sự với vị sứ giả được cử đến để làm nhiệm vụ này, thay vào đó lại hỏi han về những công việc của Gia Cát Lượng. Vị sứ giả nói rằng Gia Cát Lượng đích thân điều hành tất cả công việc lớn nhỏ trong quân, từ các chiến thuật tới các bữa ăn vào buổi tối cho binh lính, nhưng ông lại ăn rất ít.
Khi biết tin Gia Cát Lượng đang lo nghĩ về chuyện thiếu lương thực, Tư Mã Ý liền phán đoán rằng Gia Cát Lượng chẳng còn có thể sống được bao lâu nữa, càng củng cố quyết tâm giữ vững, không ra đánh, coi đó là sách lược để diệt Thục. Gia Cát Lượng cũng biết rất rõ chuyện này. Để khắc phục khó khăn, Gia Cát Lượng cho đóng quân ở vùng Ngũ Trượng Nguyên và cho lính làm ruộng, có thể đánh trường kỳ, một mặt vẫn liên tục khiêu khích quân Ngụy nhưng Tư Mã Ý tiếp tục án binh bất động. Quân Ngụy kiên quyết cố thủ không đánh đã đưa Gia Cát Lượng vào thế giằng co không thể tiến triển được. Lúc này tướng dưới trướng đòi ra đánh nhưng Tư Mã Ý lấy cớ tâu trình chỉ lệnh của hoàng thượng để dây dưa trì hoãn, cuối cùng đưa quân Thục vào thế buộc rút quân.
Tháng 7 năm 234, quân đội Tôn Quyền chỉ huy sang đánh Ngụy thất bại và phải lui về Giang Đông. Sau khi biết tin quân Ngô bị đánh lui, thêm vào chiến sự không thuận lợi, và chờ đợi mấy tháng ròng, không may Gia Cát Lượng mắc bệnh. Tháng 8 cùng năm, do vất vả mệt nhọc lâu ngày mà sinh bệnh, Gia Cát Lượng qua đời trong doanh trại Ngũ Trượng Nguyên, thọ được 54 tuổi, quân Thục đành phải lẳng lặng rút lui. Có ý kiến cho rằng nếu Tư Mã Ý không kìm nén được cơ tức giận, xông ra ngoài thành nghênh chiến, thì kết cục chưa thể nói trước ra sao và lịch sử có thể diễn biến khác đi rồi, qua đó cho thấy Tư Mã Ý được coi là mẫu người điểm hình biết kiềm chế thịnh nộ.
Khi Tư Mã Ý được tin Gia Cát Lượng đã chết, liền hạ lệnh cho quân Ngụy tấn công. Tuy nhiên Dương Nghi đã làm theo lời dặn của Gia Cát Lượng là quan cờ về phía sau dóng chuông đánh trống đàng hoàng tiến quân, làm cho Tư Mã Ý với bản tính đa nghi tưởng rằng Gia Cát Lượng vấn chưa chết, Tư Mã Ý sợ rằng Gia Cát Lượng chỉ giả chết để lừa mình, ngay lập tức rút quân, ông ta vội vàng cho quân quay về doanh trại cố thủ. Việc Tư Mã Ý phải bỏ chạy trước một Gia Cát Lượng đã chết khiến khiến câu chuyện Tư Mã Ý sợ quân Thục đã được truyền tụng trong một truyện cười: "Gia Cát chết vẫn dọa được Trọng Đạt sống". Khi Tư Mã Ý biết việc này, ông cười và nói: "Ta có thể chiến đấu với người sống, chứ không phải người chết". Nhờ kế này của Gia Cát Lượng, quân Thục mới an toàn rút về Hán Trung.