魏明帝在公元238年(景初二年)正月召回司马懿，命他率兵讨伐。魏明帝问他公孙渊有什么对策，司马懿说：“事先弃城逃走，是上计。这是次计，用辽水抵抗我的军队。坐在襄平，那他就要当俘虏了。魏明帝又问:“公孙渊会用什么？” 司马懿回答说:“只有聪明人才能正确估量对方的实力。公孙渊无法提前弃城。他一定会认为我们这次孤军远征不能持久，先在辽水抗拒，再退守襄平，这是中计和下计”。魏明帝问:“还需要多少时间？司马懿说:“去百日，回百日，攻打百日，休息60天，一年就够了。”
当时，朝廷对宫殿进行了大修，加上军用物资，人们又饿又穷。司马懿出征前劝魏明帝说：“过去，周公建洛邑，萧何建未央宫，今天宫殿不完整，这是我的责任。然而，在黄河以北，人们贫穷，内外有许多兵役。他们必然不会浪费一切。他们应该暂时停止内务，以挽救当前的紧急情况。临行时亲友相送，司马懿感慨地写了一首歌：“天地开阔，日月重光。遇会，毕力遐方。扫群秽，还过故乡。清万里，总齐八荒。告成归老，待罪舞阳。”
交战
司马懿率领牛金、胡遵等步骑4万，从京师出发，经孤竹、越界石，同时幽州刺史无丘节俭，鲜卑、高句丽等也出兵，还从海路攻带方、乐浪二郡出发。
公元238年6月(景初二年)进入辽水。公孙渊果然急令将军卑衍、杨佐等人率步骑行数万英里，依辽水围攻20多英里，坚壁高垒，阻挡魏军。
司马懿用声东击西的计划，首先在南线多面旗帜，假装围攻，吸引敌人的主要力量，通过辽水的主要力量，强迫敌人的襄平营，部门不会问原因。司马懿说：“敌人坚营高垒，就是要让我们兵筋疲力尽，若攻城，正中其计。古人说，敌虽高垒，不得不与我战士作战，攻其必救。现在他们的军队在这里，但是老巢是空的。我指向襄平，敌人必须害怕，害怕而求战，破之必行”。然后整顿阵列前进，敌人出来截击。司马懿对诸将说：“我之所以不攻其营，就是要等现在的情况。于是指挥魏军痛击，三战皆捷，然后乘胜进围襄平。
围城
一开始，公孙渊听说魏军来攻，向孙权求助。孙权还派兵支持他，并写信给公孙渊：“司马懿善于用兵，深深担心贤弟。适逢连降大雨，辽水暴涨，平地数尺，魏军恐惧，诸将思欲迁营。司马懿命令敢言迁营者斩首，都督促史张静违令被斩首，军心始安。公孙渊军乘雨出城，打柴牧马，安然自若。司马懿不允许魏将军请求进攻。司马陈圭问司马懿：“当年攻上庸，八路并进，昼夜不停，所以能在一半的时间里攻下坚城，杀死孟达。为什么这次远道而来的行动更慢？司马懿说：“孟达的军队很少，粮食可以支持一年。我们的士兵是孟达的四倍，但不到一个月。如果一月粮的军队对付一年粮的军队，我们怎么能迅速做出决定呢？四打一，即使有一半人受伤，也是可行的，当时不计死伤，正是为有限的粮草争取时间。现在敌兵多我军少，敌粮少我粮多，又遇大雨，不可能想快战。从出兵开始，我就不担心敌人的进攻，而是担心他们会逃跑。现在敌人的粮草将尽，我军的包围还没有合拢，如果现在抢牛马，就会逼他们逃跑。兵者诡道，善因事变。他们现在依靠大量的人和大水，虽然饥饿，也拒绝抓住。在这个时候，我们应该更加稳定对方，不能为了小利而吓跑敌人。”
司马懿会计就计，故意示弱。朝廷听说雨大敌强，很多人要求召回司马懿。魏明帝说:“司马懿临危制变，生擒公孙渊指日可待。
破城
一个多月后，雨停了，水渐渐退去。司马懿立即在城市周围堆起了土丘，造望楼，准备了大量的石头，用弩直接发射到城市。公孙渊又怕又急。城里的食物都吃完了，开始吃人，死者无数。杨佐等投降。
一天晚上，一颗十丈左右的大流星从首山东北掉到襄平市东南，城市变得越来越震惊。公孙渊也很害怕。8月，派相国王健、御史大夫刘甫请解围。
司马懿杀害使者，发出严厉责任的号召:“楚和郑在过去是一个并列的国家，郑伯仍然用肉迎接楚军。孤家为王者大臣，位于上公，王建等要我解围退兵，像楚郑一样同列相待。两人年老胡涂，一定是传话不符原意，已将他们斩首。若有话要说，可再派年少明智果决的人来。公孙渊又派侍中卫演，要求定日期送人质。司马懿对他说：“战斗要有五个大要点：能战当战，不能战当守，不能守当走，余二事只能降死耳。公孙渊若不肯自绑请罪，就是决心找死，不必送任何人质。”
公孙渊带着他的儿子孙修和数百名骑兵逃往东南部。司马懿的纵兵打破了他的军队。司马懿的军队在后面追赶，在流星坠落的地方杀死了他的父子。入城后，司马懿屠杀了7000多名15岁以上男子，收集尸体，建造京观。将公孙渊所任公卿全部斩首，杀死将军毕盛等2000多人。收编人民4万户。司马懿释放了被公孙渊篡夺官位的公孙恭，并为被公孙渊迫害的伦直等人修了坟墓，表彰他们的后代。下令说：“古代讨伐一个国家，只杀顽固凶恶的人。所有被公孙渊牵连的人都宽恕了。如果中原人愿意回到家乡，他们会随心所欲。”
当时司马懿军中的一些士兵衣单寒冷，要求送短外套。司马懿没有给他们，说“官员和官员都是无私的”。于是上奏朝廷，将1000多名60岁以上的士兵解除兵役，送回家乡。 胜利班师在原定一年期限内。魏明帝派使者到蓟县奖励部队，增加司马懿食用昆阳县，前后共有两个县。几十年来，曹魏的辽东问题终于得到了彻底解决，公孙渊的首级被送到洛阳，带方、乐浪、玄奘等地也相继平定。