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首出祁山時，魏國準備不足，兵力不敵，諸葛亮利用自己的軍事優勢和用兵計謀，在進攻戰中取得了一系列的勝利。
一是出兵前派人至魏都鄴城(今河北省臨漳縣西南)，貼出署名司馬懿的造反榜文，用“親而離之”(《計篇》)的反間計，使曹睿解除了司馬懿的兵權，將其削職回鄉。司馬懿是一位深有謀略的大將之才，其時總督雍(治所在今陝西鳳翔縣)、涼(治所在今甘肅張家川)軍馬，正為諸葛亮出兵首攻之地。這一反間計的成功，清除了諸葛亮兵出祁山後的作戰對手，為其進取關中掃除了障礙。
諸葛亮一出祁山作戰經過圖
二是先鋒大將趙雲在鳳鳴山力斬西涼韓德等五將，擊敗西涼八萬軍隊，取得了旗開得勝的成功。
三是諸葛亮以“上兵伐謀”的手段，以詐誑敵，智取了安定(今甘肅省涇川北)、南安(今甘肅省隴西縣東)和天水三郡，活捉了夏侯楙，在關中以西取得了立足的地盤。
四是設計逼降了天水之將姜維。姜維，字伯約，是三國後期少有的將才。諸葛亮招降姜維後高興地說： “吾自出茅廬以來，遍求賢者，欲傳授平生之學，恨未得其人。今遇伯約，吾願足矣。”(第九十三回)姜維歸降，壯大了諸葛亮進攻關中的兵勢，也使蜀國得到了諸葛亮之後能夠支撐軍事局面的棟樑之才。
五是在魏國新任都督曹真、郭淮領軍迎戰時，在陣前對76歲的蒼髯軍師、魏司徒王朗以言羞辱，令之斃命；又以劫寨計和反劫計並用，大破曹真之軍，令魏軍聞之膽寒。
六是在郭淮策動西羌國自後方出兵夾擊時，諸葛亮利用天降大雪之機，在道路上挖就坑塹，誘其大批鐵車陷於大坑之中，斬殺領兵將帥，粉碎了十五萬羌兵的後方進攻。
七是魏國新城(治所在今湖北省房縣)太守孟達致書降蜀。孟達原本蜀將，關羽兵敗麥城時他在上庸(今湖北省竹山縣西南)拒絕救援，在劉備欲追究責任時被迫降曹。孟達曾被曹丕委以西南之任，上庸、金城均受其節制，曹睿執政期間他與朝臣矛盾加深。諸葛亮在祁山屢次獲勝、軍勢大震時，他向蜀國提出，願起三處軍馬，逕取洛陽，配合諸葛亮攻取中原。
魏主曹睿在軍情緊急的情況下，由太傅鍾繇保舉，重新啟用了驃騎大將軍司馬懿。閒位於宛城(今河南省南陽市)的司馬懿被官復原職，加為平西都督，詔令起南陽諸路軍馬，西赴長安抵禦蜀軍。司馬懿復職後採取了兩項軍事措施。
一是以先斬後奏的方式，調集南陽軍馬，兼程南下，就近平息新城孟達的叛變。其時曹睿御駕長安親征，孟達自料司馬懿南下新城須奏請聖旨，往復在一月之間，因而不聽勸告，即時起兵，希望在司馬懿到達之前占據城池，進入深險之地。但司馬懿一聞兵變當即起兵，八日到達新城，在幾位曹將的內應下攻破其城，斬殺了孟達。諸葛亮十分痛惜地感嘆： “孟達若死，中原不易得也。”(第九十四回)
二是薦舉右將軍張郃為前部先鋒，自領二十萬大軍隨後，逕取祁山蜀軍兵連漢中的咽喉要地街亭(今甘肅省莊浪縣東南)。司馬懿對張郃分析說： “吾與汝逕取街亭，望陽平關不遠矣。亮若知吾斷其街亭要路，絕其糧道，則隴西一境，不能安守，必然連夜奔回漢中去也。彼若回動，吾提兵於小路擊之，可得全勝；若不歸時，吾卻將諸處小路，盡皆壘斷。俱以兵守之。一月無糧，蜀兵皆餓死，亮必被吾擒矣。”(第九十五回)諸葛亮料到司馬懿出關必取街亭，也深知街亭地位的重要，遂派參軍馬謖與上將王平率二萬五千精兵前往謹守。又派大將高翔率兵萬人去街亭附近列柳城駐軍，以為街亭救應；最後乾脆加派前部先鋒魏延領本部兵馬去街亭之後屯紮，以保萬無一失。但馬謖到街亭後棄卻要路，占山為寨，被司馬懿四面合圍，斷絕汲水之道，蜀軍不戰自亂，難以相救，最後失了街亭。
街亭失陷，中斷了隴西與漢中的聯絡主道，若司馬懿再憑險據斷幾處小路，三十萬蜀兵將處在無後方作戰的境地，這與諸葛亮取大路進兵的萬全思想是不相符合的，因而諸葛亮一再認為： “街亭雖小，干係甚重。倘街亭有失，吾大軍皆休矣。”當他聞聽街亭已失之訊後跌足長嘆： “大事去矣!此吾之過也。”急忙作全軍退歸的部署： 一讓關興、張苞率兵自武功山小路鼓譟而行，以為疑兵，待大軍退盡便投陽平關；二讓張翼引軍修理劍閣舊路；三讓全軍暗暗收拾行裝，以備啟程；四派心腹之人分報天水等三郡官吏軍民，皆入漢中，並於冀縣搬取姜維老母入蜀；五令馬岱、姜維先伏於山谷中，為大軍斷後；六令已出箕谷作進軍疑兵的趙雲、鄧芝徐徐撤軍。安排好各路人馬後，諸葛亮自率五千兵去西城(今甘肅省天水市西南)搬運糧草。當司馬懿率十五萬大軍蜂擁而來時，他不得已以“空城計”退敵(第九十五回)。
諸葛亮首出祁山，曾在隴右取得了巨大的戰果；街亭失守後又憑藉自己精明高超的用兵技巧，基本上做到了全師而退，這都是極不容易的。然而，除招降姜維一事外，得到的戰果均棄於一旦。正像他退兵漢中後對侍中費禕自責所言： “得而復失，與不得同”，“兵敗師還，不曾奪得寸土，此吾之大罪也。量得一姜維，於魏何損?”(第九十六回)他在作戰中“伐謀”、“伐交”、“伐兵”、“攻城”四法並用，實施過詐敗計、疑兵計、伏兵計、擒縱計、誑敵計、反間計、坑塹計、空城計，大顯聰明才智，費盡萬般心思，終究無功而返。這其中不是沒有原因的。