孔明率兵欲在祁山久驻，便命蜀军与当地魏民一起种粮，军一分，民两分，并不侵犯，魏民都安居乐业。
司马懿的儿子司马师对他父亲说：“蜀军劫去我们许多粮米，现在又命令蜀军和我们魏民一起在渭水边上屯田，打算长驻，这样下去实在是国家的大患。父亲为什么不跟孔明约个时间大战一场，以决出雌雄呢？”司马懿道：“我奉旨坚守，不能轻举妄动。”
正议论间，忽报蜀将魏延前来骂阵，司马懿只是不出战。魏延骂了半天，最后只得回寨。
孔明见司马懿不肯出兵，便密令马岱造木栅，在营中挖深沟，放了许多干柴和引火之物。周围山上，用柴草虚搭了许多窝棚，里外都埋下地雷（指硫黄等易燃易爆之物）。置备停当，孔明又对马岱密嘱道：“要将葫芦谷后路切断，在谷中暗设伏兵，若司马懿赶到，让他进谷，然后就把地雷和干柴一起放起火来。”马岱领令而去。
孔明又令一班军士白天举着七星旗在谷中，夜晚设七星灯在山上，作为暗号。接着唤魏延道：“你带上五百军士到魏寨讨战，务必要让司马懿出战，但你不必取胜，只可诈败。司马懿一定会来追赶，你便往七星旗处而走，若是夜间，就往亮七星灯的地方去，要引司马懿进葫芦谷，到时我自有擒他之计。”魏延受计，带兵而去。
孔明又叫高翔吩咐说：“你将木牛流马分二三十或四五十为一群，装上米粮，在山路上往来行走，如果被魏军抢了去，那就是你的功劳。”高翔领计而去。
孔明将驻扎在祁山的队伍都一一分派出去了，只留下屯田兵，对他们吩咐道：“如果其他兵来战，你们只许假装打败，但要是司马懿亲自来了，你们才可以合力去攻打渭南，截断他的归路。”
分派完毕，诸葛亮自己率领一支兵马，靠上方谷下营。
高翔假装运粮，往来于上方谷内。魏将夏侯惠等常常截杀，半月之间，连胜数次。司马懿见蜀兵屡败，心中欢喜。一天，又捉到蜀兵数十人。司马懿问被俘蜀兵：“诸葛亮现在什么地方？”兵士们说：“诸葛丞相在上方谷西面十里安营。如今每天运粮屯放在上方谷。”司马懿听了，立即教人进攻祁山，等蜀兵来救，再亲自带兵攻上方谷，烧对方粮草，以便使蜀兵首尾不能相顾。接着又命令张虎、乐忠各带五千兵，在后救应。
司马师道：“父亲为何反要攻敌人后方呢？”
司马懿道：“祁山乃是蜀人的根据地，若见我军攻打它，肯定都回来救援，这时我便去取上方谷，烧掉他的粮草，让他首尾不应，必然大败孔明。”
司马师拜服。司马懿便发兵起行，令张虎等在后面救应。
孔明在山上，望见魏军或三五千一行，或一二千一行，队伍纷纷，前顾后盼，料他肯定是来取祁山大寨，便密传众将：“若是司马懿亲自来了，你们就去攻魏寨，夺了渭南。”
魏兵都奔祁山大寨而来，蜀军从四下里一起呐喊奔出，虚作救应之势。司马懿见蜀军都去救祁山营寨，便带两个儿子和中军护卫人马，杀奔上方谷来。
魏延在谷口，只盼司马懿来，忽见一队魏兵杀到，魏延纵马上前一看，正是司马懿。魏延大喝道：“司马懿休走！”舞刀相迎，司马懿挺枪来战，不上三个回合，魏延拨马便走，司马懿随后跟来。魏延望七星旗处而走。司马懿见只有魏延一将，军马也少，便放心地追击，司马昭、司马师相随左右，一齐攻杀。
魏延带五百军退进了上方谷。司马懿追到谷口，先令人进去哨探。回报说谷中并没有伏兵，山上全是草房。司马懿道：“这里肯定是囤积粮草的地方。”
于是大驱兵马，全部进入谷中。
司马懿这时忽见草房上尽是干柴，前面魏延已经不见了，心中不由犯疑，对两个儿子道：“倘若有兵截断谷口，那可怎么办？”话音未落，只听喊声大震，从山上一齐抛下火把来，烧断了谷口，魏兵无路可逃。山上火箭射下，地雷一起突出，草房里干柴都着了，一时间火势冲天。司马懿惊得手足无措，跳下马抱住两个儿子大哭道：“我父子三人都要死在这里了！”
正哭着，忽然狂风大作，乌云漫天，一声霹雳，大雨倾盆。于是满谷的大火，全被浇灭，地雷不震，火器无功。司马懿大喜道：“不趁此时杀出，更待何时！”立即引兵奋力杀出，张虎等也带兵前来接应，与司马懿合在一处，同归渭南大寨，不想寨栅已被蜀军夺去，郭维等正在浮桥上与蜀军接战，司马懿带兵杀到，蜀军退去。司马懿烧断浮桥，占据北岸。
在祁山攻打蜀寨的魏兵听说司马懿大败，丢了渭南营寨，军心大乱，急退时，四面蜀军冲杀而来，魏军十伤八九，死者无数，残余的都奔过渭水逃生。
孔明在山上看见魏延引司马懿入谷，一霎间火光大起，心中甚喜，以为司马懿这次必死。没想到大雨从天而降，火不能着，使司马父子死里逃生。孔明叹道：“谋事在人，成事在天。不可强也！”
虽然上方谷一战未竟全功，但是利用上方谷地形，表现了诸葛亮作战的智慧。诸葛亮总是根据不同地形布阵设兵，在充分利用地利的条件下，以最小的代价来获取战斗成果。