魏明帝其实也不愿意主动出兵，他赞同陈群的意见。但曹真很执着，把作战方案修改了一下，又重新上报，新方案的主攻路线由褒斜道改为子午道，其他不变。
魏明帝又把曹真的方案给陈群看，陈群仍然反对，并列举了不宜出兵的具体理由，重点谈到了军费开支问题。魏明帝再次把陈群的反对意见批转给曹真，他没有直接否决曹真的计划，但倾向性已很明显，他并不是很积极，但曹真不这么看，他觉得皇上没有否决他的计划等于是批准了，把陈群的意见转来只是让他参阅。
曹魏太和二年（230）秋天，曹真精心策划的汉中之战开始了。这已经是曹魏第三次征汉中了，前两次都是曹操亲自带的队，这一次曹真志在必得，共集合了约20万大军，分三路大军同时出击：第一路由他亲自率领，由长安以南入子午道，出子午谷后直取汉中的南郑；第二路由张郃率领，由郿县入褒斜道，经斜谷出汉中，向南郑方向会合，张郃现在已升任车骑将军一职，是魏军的第三号人物，目前也在西线战场，归曹真调度；第三路由大将军司马懿率领，由新城郡沿汉水溯流而上，水陆并进，向南郑挺进。司马懿在荆州时曾打算训练一支水军进攻孙吴，现在先用到了这里。
消息传到汉中，大家都有些紧张。
诸葛亮马上派人通知吴帝孙权，告知曹魏的大军已向汉中方向集结，中线战场兵力空虚，请孙权在中线、东线两个战场上同时采取行动，趁机抢占曹魏的地盘，至少拖住曹军主力，让他们不敢轻易向西线增兵。
诸葛亮把汉中地区的蜀中主力集结起来，除分守南郑、汉城、乐城等要地外，重点布兵于赤阪，此地位于子午道南出口附近，一旦曹真的大军从子午道杀出，这里必将有一场恶战。鉴于汉中兵力不足，诸葛亮请前将军李严速从江州抽调2万人马北上，由李严亲自率领来汉中增援。
这时，诸葛亮却遇上了意外的麻烦。
危急关头李严本应火速增兵前来，但他却给诸葛亮回了封信，信中故意透露司马懿在秘密拉拢他，李严就此说到了开府的事。开府就是组建自己的工作机构，没有开府，你的官再大，也是给人家跑腿的；开了府，你就成了掌柜的，目前蜀汉只有诸葛亮一人开府，李严觉得他也是托孤大臣，曹魏的托孤大臣司马懿能开府，自己也应该效仿。
接到李严的信，诸葛亮一定很生气，但为了确保他赶紧增兵汉中，诸葛亮不得已奏请后主，升李严为骠骑将军，并升其子李丰为江州都督，接替李严的位置，仍旧镇守江州。
这样，李严才带着临时抽调的人马前往汉中。
先不说曹真是如何进攻的，先说说孙权。
接到诸葛亮的请求孙权立即行动，让江北地区的吴军向外放出话来，要攻打合肥。曹魏东线战场的总指挥目前是征东将军满宠，听到消息不敢怠慢，立即征调兖州、豫州各地兵马向合肥方向集中，以备吴军来攻。但吴军只是做做样子，没有真打，大家以为这是吴蜀之间玩的老把戏，那边开打，这边虚晃一枪目的是牵制，孙权顶多是出工不出力。
魏明帝下诏，让满宠把临时征调来的人马退回去。但满宠认为孙吴的真实打算未必只是虚晃这一枪，他们撤退也许是一种心理战，一定会趁这边没有防备之时，杀一个回马枪。满宠上表，要求暂不退兵，魏明帝诏准。
果然让满宠料对了，这一次孙权的打算不仅是帮帮场子，而且要抓住时机真干一回，他先声夺人，之后又示弱而退，都是心理战，目的是让合肥的守军放松戒备，然后集合大军突然攻击合肥。由于满宠早有准备，合肥兵力充足，吴军无法得手，只得退回，但如此一来，魏军在东线受到了牵制，诸葛亮协同孙吴行动的目的也达到了。
曹魏中线战场总指挥大将军司马懿接到魏明帝的诏书，让他配合曹真攻打汉中。司马懿远没有曹真那么积极，此战获胜出名的是曹真，他的威望定然进一步增加，与自己拉开差距；如果此战失利，损失的是曹魏基业，自己也白忙一场。
尤其是溯汉水而上的作战路线，司马懿肯定更有意见，他有理由怀疑这是一帮参谋对着地图拍着脑袋拟订的方案，汉水汹急，一路穿山越岭，虽有部分河段可通航，但顺流而下与逆流而上完全是两回事，自古征汉中，都是自北向南，或者出大散关，像这样由东南方向往西北攻的很少，走水路逆流而上根本就没听说过。
但司马懿仍得执行诏令，他由宛县赶到新城郡，由那里出发，组织人马水陆并进，溯汉水向汉中方向攻击，但他们的进展没法太快，因为这一带很多地方都没有路，他们一边走还得一边开路。
秦岭中间的两条栈道里，曹真和张郃分别指挥大军进攻。这时是农历的八月，秦岭山中出人意料地下起了大雨，一口气下了30多天。山中本来道路就难行，现在到处是水，不停地有滑坡、泥石流，没法休息，冷得要死，吃不好，睡不了，简直如同进入人间地狱，有人建议撤军，曹真急了，不许。
在洛阳，太尉华歆也上疏建议撤军：“陛下的圣德堪比成康，即便有吴蜀二贼，也不过苟延残喘。用兵，不得已而用之，愿陛下以治理国家为第一要事，然后再考虑征伐。千里运粮，越险深入，劳而无功。我听说今年征战已严重影响到生产，为国者以民为基，民以衣食为本，如果天下百姓没有饥寒之患，他们也就没有离土之心，吴蜀二贼，可坐而平定。”
魏明帝还想等等看，就回复华歆道：“先生考虑得很深，我感到欣慰。但是，贼人凭借山川之险，武皇帝、文皇帝在世时，也多次未能平定，我何德何能，可以指望不费力就把他们消灭？先试探一下，如果天时未到，再说撤兵不迟。”
又过了几天，雨还在下，少府卿杨阜上疏说：“现在吴蜀未平，上天频频降下凶兆，大军刚出发，大雨就下个不停。目前大军已困在山中多日，粮草转运都靠肩挑背扛，十分费力，《左传》说‘见可而进，知难而退，军之善政也’，应该赶紧退兵。”
王朗的儿子、散骑常侍王肃也上疏说：“古说‘千里馈粮，士有饥色，樵苏后爨，师不宿饱’，这说的还是平途行军的事，何况现在深入险境，凿路而前，劳力必百倍。加之现在大雨，山路湿滑，行军速度很慢，粮草又难以保证，这些都是兵家所忌。”
看到大家一致反对，魏明帝知道不能再坚持了，下诏让包括曹真在内的各路魏军撤回。
魏军撤退，诸葛亮命魏延和吴壹分别率人马攻击曹魏控制的陇右，魏延和吴壹越过武都郡，向西攻入曹魏南安郡境内，曹魏后将军费曜、雍州刺史郭淮率兵来迎，魏延和吴壹打败了他们，取得了胜利，蜀军随后退回。这是第三北伐获胜后紧接着的又一次胜利，诸葛亮把魏延在丞相府里的职务由丞相司马提升为丞相前军师，并上报后主，将魏延的爵位由亭侯晋为南郑县侯；上报后主擢升吴壹为左将军，由亭侯晋爵为高阳乡侯，魏延留下的丞相司马一职提拔费祎来担任。
有人把阻击曹真这一仗，以及魏延、吴壹主动出击陇右也看成单独的两次北伐，其实这两仗属于同一场战役，这场战役是曹魏一方主动发起，不能算严格意义上的北伐。