公元238年(景初二年)正月，魏明帝召回司馬懿，命他率兵討伐。魏明帝問他估計公孫淵有什麼對策，司馬懿說：“事先棄城逃走，是上計。憑藉遼水抗拒我大軍，這是次計。坐守襄平，那他就要當俘虜了。”魏明帝又問：“公孫淵會採用哪種?” 司馬懿回答：“只有聰明人能正確估量彼此實力。預先棄城，不是公孫淵所能做到的。他定會認爲我們這次孤軍遠征不能持久，先在遼水抗拒，再退守襄平，這是中計和下計”。魏明帝問：“往還需要多少時間?”司馬懿說：“去百日，回百日，攻戰百日，用六十天休息，一年時間足夠了。”
當時朝廷大修宮室，加上軍用物資，百姓飢弊。司馬懿出征前勸魏明帝說：“昔日周公營造洛邑，蕭何建造未央宮，今日宮室不完備，這是我的責任。然而黃河以北，百姓窮困，內外徭役繁多，勢必不能百廢俱興，應暫時停止內務，以救目前之急。”臨行時親友相送，司馬懿感慨作歌：“天地開闢，日月重光。遭遇際會，畢力遐方。將掃羣穢，還過故鄉。肅清萬里，總齊八荒。告成歸老，待罪舞陽。”
交戰
司馬懿率牛金、胡遵等步騎四萬，從京師出發，經孤竹，越碣石，同時幽州刺史毌丘儉從徵，鮮卑、高句麗等也出兵，還有從海路攻帶方、樂浪二郡。
公元238年(景初二年)六月，進至遼水。公孫淵果然急令大將軍卑衍、楊祚等人率步騎數萬，依遼水圍塹20餘里，堅壁高壘，阻擊魏軍。
司馬懿採用聲東擊西之計，先在南線多張旗幟，佯攻圍塹，吸引敵軍主力，而以主力隱蔽渡過遼水，逼進敵軍的襄平本營，部將不解問其原因。司馬懿說：“敵人堅營高壘，就是想讓我們兵疲糧盡，若攻城，正中其計。古人曰，敵雖高壘，不得不與我戰者，攻其所必救也。現在他們大軍在此，老巢卻空。我直指襄平，敵軍必懼，懼而求戰，破之必矣”。接着整頓陣列前進，敵軍果然出來截擊。司馬懿對諸將說：“我之所以不攻其營，正是要等現在的局面。”於是指揮魏軍痛擊，三戰皆捷，遂乘勝進圍襄平。
圍城
當初公孫淵聞魏軍來攻，求救於孫權，孫權也出兵爲其聲援，並給公孫淵寫信：“司馬懿善用兵所向無前，深深爲賢弟感到擔憂啊。”適逢連降大雨，遼水暴漲，平地數尺，魏軍恐懼，諸將思欲遷營。司馬懿下令有敢言遷營者斬，都督令史張靜違令被斬，軍心始安。公孫淵軍乘雨出城，打柴牧馬，安然自若。魏將領請求出擊，司馬懿不允。司馬陳圭曰問司馬懿：“當年攻上庸，八路並進，晝夜不停，故能在一旬半時間裏，攻下堅城，殺了孟達。這次遠道而來，爲什麼行動卻更加緩慢?”司馬懿說：“當年孟達軍隊少而糧食能支持一年，我們的兵是孟達的四倍糧食卻不足一月，以一月糧的軍隊對付有一年糧的軍隊，怎能不速戰速決?四打一，即使一半人傷亡，也是可行，當時不計死傷，正是要爲有限的糧草爭取時間。而今敵兵多我軍少，敵糧少我糧多，又遇大雨，想速戰也不可能。從出兵開始，我就不擔心敵人來進攻，而是怕他們會逃跑。如今敵軍糧草將盡，我軍包圍尚未合攏，若現在搶掠牛馬，會逼他們逃走。兵者詭道，善因事變。他們現在憑藉人多和大水，雖然飢困，也不肯就擒。這時候更當穩住對方，不能爲得小利而把敵人嚇跑。”
司馬懿將計就計，故意示弱。朝廷聽說雨大敵強，不少人請求召還司馬懿。魏明帝卻說：“司馬懿臨危制變，生擒公孫淵指日可待。”
破城
月餘，雨停，水漸退去，司馬懿立即在城周圍堆起土丘，造望樓，準備了大量的石頭，用弩弓直向城中發射。公孫淵又怕又急。城中糧食吃盡，開始人吃人，死者不計其數。楊祚等投降。
一天晚上，一顆長約十丈的大流星，從首山的東北面墜入襄平城的東南面，城中愈發震恐。公孫淵也很驚懼，八月，派相國王建、御史大夫柳甫請解圍而縛。
司馬懿斬殺使者，發佈檄文嚴責：“昔日楚和鄭是並列的國家，鄭伯尚且肉袒牽羊而迎楚軍。孤家爲王者大臣，位在上公，而王建等要我解圍退兵，如楚鄭一樣同列相待。二人年老胡塗，必是傳話不符原意，已經將他們斬首。若還有話要說，可再派年少明智果決的人來。”公孫淵又派侍中衛演來請求定日期送人質。司馬懿對他說：“作戰的大要有五：能戰當戰，不能戰當守，不能守當走，餘二事惟有降與死耳。公孫淵若不肯自縛請罪，就是決心尋死了，不須送什麼人質。”
公孫淵帶着兒子公孫修帶着數百騎兵向東南突圍而逃，司馬懿縱兵擊破其軍，司馬懿大軍在後面窮追不捨，在流星墜地的地方，殺死了公孫淵父子。入城後，司馬懿屠十五歲以上男子七千多人，收集屍體，築造京觀。把公孫淵所任公卿以下一律斬首，殺死將軍畢盛等二千多人。收編百姓四萬戶。司馬懿釋放了當年被公孫淵篡奪官位的公孫恭，又爲被公孫淵迫害的綸直等人修了墳墓，表彰他們的後代。下令說：“古代討伐一個國家，僅殺其中頑固兇惡的人而已。各位被公孫淵所連累的人，全部寬恕。中原人願意返回故鄉的，各隨己願。”
當時司馬懿軍中有的士兵衣單寒冷，請求發給短襖，司馬懿不給，表示“襦者官物，人臣無私施也”。於是上奏朝廷，把一千多名六十歲以上的士兵解除兵役，送返回鄉。 在原定一年的期限內，勝利班師。魏明帝派使者到薊去犒勞部隊，增司馬懿食昆陽縣，前後共二縣。曹魏數十年來遼東問題終於徹底解決，公孫淵的首級被送到了洛陽，帶方、樂浪、玄菟等地也相繼平定。
