魏明帝景初二年（戊午，公元238年）春季，正月，明帝从长安召回司马懿，命他率军四万人讨伐辽东。参预谋议的大臣有的认为四万兵员太多，军费难以提供。明帝说：“四千里远征讨伐，虽说要出奇制胜，但也应当依靠实力，不应斤斤计较军费。”明帝对司马懿说：“公孙渊放弃守城先行逃走，是上策；据守辽东抗拒大军，是中策；如死守襄平，必被生擒。”明帝说：“那么，三者中他将采用哪一种？”回答说：“只有明智的人，才能审慎度量敌我双方的力量，才会预先有所舍弃。这既不是公孙渊的才智所能达到的，他又会认为我军是孤军远征，不能支持长久，一定是先在辽水抗拒，然后退守襄平。”明帝说：“往返需多少天？”回答说：“进军一百天，攻战一百天，返回一百天，以六十天作为休息日，这样的话，一年足够了。”
公孙渊听到消息，再次源遣使节称臣，向吴国求救。吴国打算杀掉来使，羊说：“不可，这是发泄匹夫一时怒气，而破坏称霸称王的大计，不如就势厚待他，然后派遣奇兵暗中前往，以胁迫公孙渊归附。如果魏讨伐不能取胜，而我军远赴救难，便与远方夷族结下恩情，大义表现于万里之外。如果双方交战难解难分，辽东前方、后方分隔，那么我们就在它边陲郡县，驱逐劫掠而归，也足以表达上天的惩罚，对往事报仇雪恨了。”吴王说：“好！”于是大规模地集结部队，并对公孙渊来使说：“请回去等候音信，我们遵从来函吩咐，一定和老弟休戚与共！”又说：“司马懿所向无敌，我深为老弟担忧。”
明帝向护军将军蒋济问道：“孙权会救援辽东吗？”蒋济说：“孙权知道我们戒备严密，不可能从中渔利，援军深入则力所不及，不深入势必徒劳无功；即使是儿子、兄弟处于那种危险境地，孙权都不会出动，何况是异域他国之人，加之以前还被羞辱过。如今所以向外宣扬出兵救辽，不过是欺骗辽东来使，使我们产生疑惧，一旦我们不能攻克，希望公孙渊向他臣服而已。可是沓渚县离公孙渊所在地相距还远，如果大军受到阻碍，相持不下，战斗不能速决，那么孙权的临时决策，或者轻兵突袭，就不可预料了。”
明帝问吏部尚书卢毓说：“谁可以担任司徒？”卢毓推荐处士管宁，明帝不采用，又问其次的人选，卢毓答道：“敦厚忠诚的是太中大夫韩暨，耿直高洁的是司隶校尉崔林，忠贞纯朴的是太常常林。”二月，癸卯（十一日），任命韩暨担任司徒。
六月，司马懿大军到达辽东，公孙渊命大将军卑衍、杨祚统率步、骑兵数万人驻扎在辽隧，围城挖掘了长达二十余里的壕沟。魏军将领们想要攻城，司马懿说：“敌人所以坚守壁垒不肯决战，是打算拖死我军，现在攻打他们，正中其计。而且敌人主力在此，他们的老巢必定空虚，我军直指襄平，必能攻破。”于是，打出许多战旗，佯作要向南方出动，卑衍等率全部精锐部队随之向南。司马懿率军暗中渡过辽河，向北挺进，直扑襄平。卑衍等大为惊恐，率军连夜撤回。魏各路大军进抵首山，公孙渊再命卑衍等迎战。司马懿迎击，大败卑衍，遂进军包围襄平。
秋季，七月，连降大雨，辽河暴涨，运粮船队从辽口直抵城下。大雨下了一个多月不停，平地水深数尺，魏三军恐惧，打算迁移营垒，司马懿下令军中：“有敢说迁营者斩！”都督令史张静违抗命令，被斩，军心这才安定。敌人依仗水势，砍柴放牧依然如故，将领们想要俘获他们，司马懿都不准许。司马陈说：“从前攻打上庸，八支部队同时进发，日夜不停，所以能用十六天时间攻下坚城，斩杀孟达。这次远征而来，反而更安闲迟缓，我私下感到疑惑。”司马懿说：“孟达兵少但存粮可支撑一年，我军将士四倍于孟达，但粮食不能支持一个月。以一个月攻打一年，怎么可以不快速？以四个兵士攻击一个敌人，即使丧失一半而能够攻克，都应当去做，所以不顾死伤地强攻，是与粮食竞争啊！如今敌众我寡，敌饥我饱，何况雨水如此之大，功力不能施展，虽然应当速战速决，又能干什么呢？自打从京师出发，不担心敌人进攻，只恐怕敌人逃走。如今敌人粮食就要耗尽，可是我们的包围还没完成，抢掠他们的牛马，抄袭他们的樵夫，这是故意*迫他们逃走。用兵是一种诡诈的行为，要善于随机应变。敌人凭仗人多，倚仗雨大，虽然饥饿窘困，还不肯束手投降，应当显示出我们无能以便使他们安心。如果因贪图小利使他们惊吓逃跑，这不是好的计策。”朝中听说大军遇雨，一致打算退兵。明帝说：“司马懿有能力临危控制事变，捉住公孙渊指日可待。”
雨止，司马懿随即合拢包围圈，高堆土山，深挖地道，用干、橹车、钩梯、冲车，日夜攻城，射箭与石密集如雨。公孙渊窘迫危急，粮食已尽，以至人与人互相格杀残食，死亡极多，部将杨祚等投降。八月，公孙渊派遣相国王建、御史大夫柳甫请求解围退兵，如果同意，君臣定当自缚面降。司马懿命斩来使，用檄文通知公孙渊说：“楚国和郑国地位相等，可是郑伯还光着脊背牵羊出城迎降。我是天子的上公，而王建等想要我解围后退，难道不失礼吗？这二个老糊涂，传话失去意指，已被我杀掉。如还有请降之意，就另派年轻有明快决断的人前来。”公孙渊又派侍中卫演，请求指定日期，派送人质。司马懿对卫演说：“军事大要有五条，能战则战，不能战就当坚守，不能坚守就当逃走。剩下的两条路，就只有投降和死了。公孙渊不肯自缚面降，这是决心去死，不必送来人质！”壬午（疑误），襄平城败溃，公孙渊和儿子公孙带领数百骑兵从东南突围逃走，魏军急忙追击，在梁水岸边斩杀了公孙渊父子。司马懿既已进入襄平城；诛杀城中公卿以下官吏及兵民七千余人，积尸封土，筑成大坟，辽东、带方、乐浪、玄菟四郡全部平定。
公孙渊将要反叛时，将军纶直、贾范等苦苦劝阻，都被公孙渊诛杀。司马懿于是堆土加高纶直等人的坟墓，显扬他们的子弟，释放了为朝廷所立而被公孙渊囚禁的叔父。中原人想要返回故里，听任自便。然后班师。
最初，公孙渊的哥哥公孙晃作为公孙恭的人质住在洛阳，公孙渊还未反叛时，公孙晃几次报告公孙渊的变故，打算让魏出兵讨伐。到公孙渊图谋叛逆，明帝不忍心把公孙晃在街市斩首，打算下狱处决。廷尉高柔上书说：“我私下听说公孙晃以前多次自动归附，报告公孙渊已萌生祸心，他虽然是凶犯宗族，但是推究其本心，是可以宽恕的。从前，孔丘曾经明察司马牛的忧虑，祁奚曾经指明叔向没有过失，这都是古代的美好义行。我认为公孙晃确实在先前有过举报，应免他一死；如果他本来没有告发，应应当在街市上斩首示众。如今是进不赦免其性命，退又不公开其罪状，只是紧闭狱门，命他自杀，天下各地，或许会怀疑我们的做法。”明帝不采纳，竟派遣使节带着搀有金屑的酒让公孙晃和他的妻子儿女饮下，然后赏赐棺木丧衣，埋葬在公孙晃的住宅。