司马懿被削弱兵权，朝廷选司徒，贾逵军等调归东线后，张郃也被调归西线，他在宛城和襄阳练兵，让孙权担心当面的司马懿攻打南征，也得知司马懿计划攻都城武昌，孙权称帝从武昌又迁都返回建业，这年三国都正式称帝，曹睿也改变司马懿先攻吴国的建议，没有进攻称帝的孙权，转向攻打蜀国。公元229年，51岁。
司马懿升大将军，曹睿把大司马任命曹真，并且同意让他领导伐蜀，帅关中各路约十多万伐蜀，曹睿为鼓励司马懿共同伐蜀，加司马懿为大都督，假黄钺。魏国从北部和东部两个方向伐蜀，司马懿兵分两路，亲帅主力沿汉水西进，从西城凿山开道，水路并进，攻取新丰县，进军至丹口，控制子午谷南部地区等待曹真。一路南下攻到朐忍（重庆云阳），司马懿军进展顺利，但曹真军遇到大雨，行进艰难缓慢，被迫撤军。公元230年，52岁。
司马懿驻守中线，东线是他的三子司马幹岳父满宠，西线也是他的亲戚曹真，在曹真病逝后，蜀军北伐形势危机，诸葛亮诱使鲜卑轲比能军打到安定，关中众将都要求防御，曹睿给司马懿下诏称西方有事，非君莫可付者，司马懿和司马师、司马昭等到关中后，先和轲比能议和让他去幽州商贸马匹，又亲自帅主力前往救援祁山。他精准预测诸葛亮的行动，急行军赶在诸葛亮前到达上邽，阻止蜀军抢粮，又渡河追击赶去把祁山解围，加强防御让军队休整恢复体力与蜀军对峙，互有胜负，最终击退蜀军斩俘上万。公元231年，53岁。
司马懿准确判断诸葛亮返回后会加强生产积聚粮草，至少三稔才会再次进攻。对部下杜袭和薛悌部署加强生产，不用从关东调运粮草。司马懿在关中的部下有郭淮、胡遵、牛金、周当、费耀、戴陵、贾嗣、魏平、徐邈、孟建等。司马懿在上邽屯田，从冀州调来屯田农加强生产，并且在天水和南安建立冶炼生产，保障军械生产。公元232年，54岁。
司马懿领导修建成国渠和临晋坡，灌溉数千顷积聚粮草，保障了军事粮草物资的有效供给。司马懿帅胡遵等平定匈奴叛乱，同草原的鲜卑轲比能等部族也相对能友好，加强和西域的通商，发展关中经济，在各个要道口修建长城防线，并且设立军市和当地百姓交换物资，用军队生产的粮食和铁器换取百姓生产的布匹、马匹等物资，国用充足，并且整顿军市中害民官吏，让严斐等认可，百姓安居乐业。公元233年，55岁。
司马懿侦查发现诸葛亮往斜谷口预先运粮，判断诸葛亮要攻关中，众将希望在渭北设防，司马懿以保护百姓积聚决定背水设防坚守渭南，并预判若诸葛亮出兵依山向东则要战斗，若西上五丈原，诸军可能不用作战。司马懿和诸葛亮在五丈原对峙，阻挡蜀军攻北原后派郭淮守北原。司马懿派周当据阳燧，判断说诸葛亮不攻阳燧这可知他的动向，派郭淮和胡遵守阳燧，亲帅主力建西围，并阻击诸葛亮，坚守积石，把诸葛亮困在五丈原，写信让弟司马孚放心。司马懿在修建长城和西围等防御工事阻挡敌军时期，发明守城棒，升高部队的防御战力，和诸葛亮的对峙进入持久战状态。司马懿和诸葛亮通信，司马懿称赞黄权是优秀人士，诸葛亮请司马懿代他问候孟建等同学。司马懿派斥候秘密侦查并画像诸葛亮羽扇纶巾乘车的阅兵情况，并且赞叹诸葛亮是名士。司马懿持久战坚守不出，诸葛亮送来钗裙羞辱激司马懿出战，司马懿借奏请出战稳定军心，并通过使臣预判诸葛亮患病难久，派遣奇兵袭击蜀军的交通线，斩俘降者两千多，经过百日相持后，诸葛亮病逝退兵。司马懿用发明的行军木屐通过荆棘踩踏出新路追击，并且占据五丈原对辛毗预测蜀军丢弃粮食和军书，可见诸葛亮必然去世了，司马懿一路追到蜀后勤基地赤岸，豁达对待蜀民嘲笑，称赞诸葛亮奇才，并上奏请求南征，未果退兵，司马懿认真培养司马师和司马昭。公元234年，56岁。
司马懿治理关中，职务从大将军降为太尉，增加封邑，蜀军马岱攻关中，司马懿派牛金等击退蜀军。司马懿北上平安定以北恢复朔方郡。发生灵石图事件，司马懿仍保持忠诚没有叛魏和杀牛金，而且在当时关东严重饥荒的时候没有乘机要挟封官加邑或恢复大将军，而是向关东运送五百万斛粮食救灾，在天下也获得极高声望。司马懿招降氐族首领苻双、強端，并且攻取武都地区，奏请苻双为武都氐王。公元235年，57岁。