公元238年(景初二年)正月，魏明帝召回司马懿，命他率兵讨伐。魏明帝问他估计公孙渊有什么对策，司马懿说：“事先弃城逃走，是上计。凭借辽水抗拒我大军，这是次计。坐守襄平，那他就要当俘虏了。”魏明帝又问：“公孙渊会采用哪种?” 司马懿回答：“只有聪明人能正确估量彼此实力。预先弃城，不是公孙渊所能做到的。他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：“往还需要多少时间?”司马懿说：“去百日，回百日，攻战百日，用六十天休息，一年时间足够了。”
当时朝廷大修宫室，加上军用物资，百姓饥弊。司马懿出征前劝魏明帝说：“昔日周公营造洛邑，萧何建造未央宫，今日宫室不完备，这是我的责任。然而黄河以北，百姓穷困，内外徭役繁多，势必不能百废俱兴，应暂时停止内务，以救目前之急。”临行时亲友相送，司马懿感慨作歌：“天地开辟，日月重光。遭遇际会，毕力遐方。将扫群秽，还过故乡。肃清万里，总齐八荒。告成归老，待罪舞阳。”
交战
司马懿率牛金、胡遵等步骑四万，从京师出发，经孤竹，越碣石，同时幽州刺史毌丘俭从征，鲜卑、高句丽等也出兵，还有从海路攻带方、乐浪二郡。
公元238年(景初二年)六月，进至辽水。公孙渊果然急令大将军卑衍、杨祚等人率步骑数万，依辽水围堑20余里，坚壁高垒，阻击魏军。
司马懿采用声东击西之计，先在南线多张旗帜，佯攻围堑，吸引敌军主力，而以主力隐蔽渡过辽水，逼进敌军的襄平本营，部将不解问其原因。司马懿说：“敌人坚营高垒，就是想让我们兵疲粮尽，若攻城，正中其计。古人曰，敌虽高垒，不得不与我战者，攻其所必救也。现在他们大军在此，老巢却空。我直指襄平，敌军必惧，惧而求战，破之必矣”。接着整顿阵列前进，敌军果然出来截击。司马懿对诸将说：“我之所以不攻其营，正是要等现在的局面。”于是指挥魏军痛击，三战皆捷，遂乘胜进围襄平。
围城
当初公孙渊闻魏军来攻，求救于孙权，孙权也出兵为其声援，并给公孙渊写信：“司马懿善用兵所向无前，深深为贤弟感到担忧啊。”适逢连降大雨，辽水暴涨，平地数尺，魏军恐惧，诸将思欲迁营。司马懿下令有敢言迁营者斩，都督令史张静违令被斩，军心始安。公孙渊军乘雨出城，打柴牧马，安然自若。魏将领请求出击，司马懿不允。司马陈圭曰问司马懿：“当年攻上庸，八路并进，昼夜不停，故能在一旬半时间里，攻下坚城，杀了孟达。这次远道而来，为什么行动却更加缓慢?”司马懿说：“当年孟达军队少而粮食能支持一年，我们的兵是孟达的四倍粮食却不足一月，以一月粮的军队对付有一年粮的军队，怎能不速战速决?四打一，即使一半人伤亡，也是可行，当时不计死伤，正是要为有限的粮草争取时间。而今敌兵多我军少，敌粮少我粮多，又遇大雨，想速战也不可能。从出兵开始，我就不担心敌人来进攻，而是怕他们会逃跑。如今敌军粮草将尽，我军包围尚未合拢，若现在抢掠牛马，会逼他们逃走。兵者诡道，善因事变。他们现在凭借人多和大水，虽然饥困，也不肯就擒。这时候更当稳住对方，不能为得小利而把敌人吓跑。”
司马懿将计就计，故意示弱。朝廷听说雨大敌强，不少人请求召还司马懿。魏明帝却说：“司马懿临危制变，生擒公孙渊指日可待。”
破城
月余，雨停，水渐退去，司马懿立即在城周围堆起土丘，造望楼，准备了大量的石头，用弩弓直向城中发射。公孙渊又怕又急。城中粮食吃尽，开始人吃人，死者不计其数。杨祚等投降。
一天晚上，一颗长约十丈的大流星，从首山的东北面坠入襄平城的东南面，城中愈发震恐。公孙渊也很惊惧，八月，派相国王建、御史大夫柳甫请解围而缚。
司马懿斩杀使者，发布檄文严责：“昔日楚和郑是并列的国家，郑伯尚且肉袒牵羊而迎楚军。孤家为王者大臣，位在上公，而王建等要我解围退兵，如楚郑一样同列相待。二人年老胡涂，必是传话不符原意，已经将他们斩首。若还有话要说，可再派年少明智果决的人来。”公孙渊又派侍中卫演来请求定日期送人质。司马懿对他说：“作战的大要有五：能战当战，不能战当守，不能守当走，余二事惟有降与死耳。公孙渊若不肯自缚请罪，就是决心寻死了，不须送什么人质。”
公孙渊带着儿子公孙修带着数百骑兵向东南突围而逃，司马懿纵兵击破其军，司马懿大军在后面穷追不舍，在流星坠地的地方，杀死了公孙渊父子。入城后，司马懿屠十五岁以上男子七千多人，收集尸体，筑造京观。把公孙渊所任公卿以下一律斩首，杀死将军毕盛等二千多人。收编百姓四万户。司马懿释放了当年被公孙渊篡夺官位的公孙恭，又为被公孙渊迫害的纶直等人修了坟墓，表彰他们的后代。下令说：“古代讨伐一个国家，仅杀其中顽固凶恶的人而已。各位被公孙渊所连累的人，全部宽恕。中原人愿意返回故乡的，各随己愿。”
当时司马懿军中有的士兵衣单寒冷，请求发给短袄，司马懿不给，表示“襦者官物，人臣无私施也”。于是上奏朝廷，把一千多名六十岁以上的士兵解除兵役，送返回乡。 在原定一年的期限内，胜利班师。魏明帝派使者到蓟去犒劳部队，增司马懿食昆阳县，前后共二县。曹魏数十年来辽东问题终於彻底解决，公孙渊的首级被送到了洛阳，带方、乐浪、玄菟等地也相继平定。