曹真所部还在斜谷谷口应对赵云所率疑兵，曹叡给时任右将军的张合加位特进，张合奉命率军向街亭方向进发。
街亭这个地方的位置有两个说法，一是在甘肃省天水市秦安县城东45公里的陇城镇，二是甘肃省天水市麦积区街亭。街亭山高谷深，地势险要，为历史上重要军事关隘、兵家必争之地，进可攻关中，退可守陇右。
这个战略要地是一定要争的，军中宿将魏延、吴懿等人，这些都是军中在谈论的先锋人选，出乎大家的意料，诸葛亮力排众议，以没有实际领兵作战经验的马谡统率诸军前往街亭，让其作为张合的对手。
诸葛亮用马谡为将一方面考虑马谡虽然年纪不大，但一直都被人评价认为其才学器量超过常人，在平定南中时眼光长远，提出“攻心为上，攻心为下”，这是同时期蜀汉阵营几乎所有将领都不具备的；另一方面马谡是自己的同事、战友亲如兄弟的好友死去马良的弟弟，身为大哥更要呵护照顾这个年幼的弟弟，以其才智应该能成为蜀汉的中流砥柱吧，如果在街亭立下战功那么将会有非常积极的影响，今后理所当然的受到重用吧！
刘备临终前对马谡言过其实的评价，诸葛亮似乎是忘记了。这次任人唯亲也将给北伐带来很大影响。
马谡率军来到街亭后经过观察没有按照诸葛亮的作战计划进行防御，而是擅自将军队带至依傍险要的南山之上安营扎寨。马谡所在益州的山地险峻利于防守，也不缺乏水源，但马谡所在的街亭可是黄土高原其中的陇中高原，这里生态脆弱，气候干旱，水源是个大问题。说得通的理由就是马谡认为山上险峻易守，曹魏的骑兵无法发挥优势。平时沉默寡言的王平，对此时的形势是有清醒认识的，这时也站出来规劝马谡，一旦水源被切断后果将非常严重。对于王平的反复劝说马谡根本听不进去，王平努力争取，马谡同意王平不在山上驻扎可以率本部军队行动。除了王平部外，马谡本部，马谡所率张休、李盛、黄袭等部都驻扎山上。
马谡军事方面纸上谈兵想当然，张合率军到达后一看蜀汉的屯军位置，就要给对方上一课。对于张飞这种沙场猛将张合不是对手，可马谡只有挨欺负的份了。张合立刻果断的命令军队切断马谡军的水源。别的还可以克服，一旦焦渴难耐军队必定士气低落毫无战斗力。
趁此机会，张合开始指挥大军围攻山上的蜀汉军队，此时山上的马谡军将士士气无比低落，这时再与魏军交战很快就溃散，街亭防线全面崩溃。山下的王平见状，知道大势已去，凭借自己手里这点兵力根本无法救援山上的马谡军，现在只能尽力保住麾下部队不被敌人消灭。王平命令部队严阵以待，军队鸣鼓以振声势，张合见王平部军容严整，怀疑对方有伏兵，所以不敢进攻，王平得以将统领的麾下军队平安的带了回来。
街亭方面战局失利，其他战线也都传来不利消息。由斜谷道出兵占据箕谷的赵云、邓芝所部，曹真意识到这支部队并非主力，立即以优势兵力进攻，赵云部被击败，曹真立刻率主力直奔陇右与诸葛亮率领的主力对峙。这时，据守上邽的郭淮部也开始行动。在街亭附近的列柳城，蜀汉将领高翔率领一部军队在此驻守，与街亭的马谡成犄角之势。在张合部进攻马谡之时，郭淮也趁机率军佯攻列柳城高翔部，以此牵制蜀汉军队。奉命在山谷中负责接应的魏延部，也被乘胜而来的张合部困住，导致魏延部无法前进。面临如此形势，魏延、高翔只能各自率军撤退，避免遭受更大损失。前来上任的魏国凉州刺史、护羌校尉徐邈也组织军队在此时反攻南安郡取得胜利。
街亭失守，各战线又全部失利，蜀汉大军陷入危险的境地，第一次北伐取得三郡的战果在蜀汉大军撤退后也必定丧失。诸葛亮望了望第一次来到的雍凉大地，向大军传令撤回汉中。固守箕谷的赵云虽然此前被曹真击败，但及时收拢部队，没有造成大的损失。在撤退时，赵云亲自率亲兵断后，防止魏军追击，最后安然撤退，物资和人员都损失不大。
大军撤往汉中时，诸葛亮还问：“从街亭退兵的时候，我军的编制混乱成一团，而你们从箕谷退兵，编制依然十分整齐和刚出兵时候一样，这是什么原因呢？”
邓芝回答说：“赵将军亲自断后，因此军资没有丢失，人员编制整齐。”此时赵云的军中还有多余的绢布，诸葛亮下令将这些绢布分给赵云所部的将士。
赵云见状，对诸葛亮说：“现在我军军事失利，怎么还能要赏赐呢？请把这些物资全部纳入赤岸府库，在十月入冬的时候再赏赐给将士们使用。”赤岸府库是在汉中北部的一个重要物资屯放之地，诸葛亮听完赵云的话对其品行大为赞赏。
这次北伐要说收获一方面是数千家百姓迁了过来，另一方面就是得到了姜维。很快，诸葛亮就辟姜维为仓曹掾，加奉义将军，封当阳亭侯，当年姜维也是27岁，与诸葛亮出山的时候年纪相同，看着这位年轻人不知诸葛亮是否想起刘备三顾茅庐时意气风发的自己。按照记载仓曹掾应该是太尉的属官，主管仓谷事宜，但是蜀汉并没有设置太尉这个官职，仓曹掾是丞相诸葛亮的属官，对于仓谷这些事多年从事行政后勤工作的诸葛亮是非常熟悉的，安排在这个工作岗位上，诸葛亮是有意考察姜维的。经过仔细观察，诸葛亮给张裔、蒋琬写信说：“姜维做事忠诚勤勉，考虑事情周密，经过考察他的才能，李邵、马良等人也不如他。这个人，是凉州的优秀人才。”还说：“应该先让他训练中军虎步军五六千人。姜维对军事很有领悟力，他既有胆略讲义气，深刻的明白兵法的精妙。这个人心存汉室，并且才气过人，等到军事训练完毕，再让他觐见陛下。”
但是，最重要的是还是面对失败，大军撤回汉中后，就要给蜀汉上下一个战败的交代了。