命文武百官，并派人向孙权再次称臣，以为外援。孙权立刻同意北伐呼应，并告诫公孙渊要小心司马懿。公孙渊骄傲自满，没有听进去。
曹叡这边派出司马懿领青兖幽冀四州，联合鲜卑、乌丸、高句骊等外族，四面八方，海陆齐攻。司马懿出征前，曹叡还是有所担心，召来询问。
曹叡问公孙渊会如何应对，司马懿回复：“事先弃城而逃是上计，凭借辽水顽抗是中计，坐守襄平是下计，必为我军所虏。”
曹叡又问公孙渊会采用何计，司马懿冷笑道：“以他的智商，无法判定双方的实力。他不会弃城逃走，只会先于辽水抗拒，而后退守襄平。即采用中计和下计。”
曹叡再问大军往返需要多长时间，司马懿掐指一算，自信地回答一年时间。这番庙算后，曹叡再无顾虑。
公元238年正月，司马懿率4万大军主力从洛阳出发。6月，双方果然于辽水相遇。公孙渊早就让部将卑衍坚壁高垒，挖壕沟20多里，严阵以待。
卑衍出师不利，龟缩堡内，司马懿决定采用“声东击西”之策。魏军先在南边佯攻围堑，吸引敌军，再派出主力秘密渡河，北击襄平。卑衍唯恐襄平有失，出营追赶，被魏军痛击，退守辽隧城。
司马懿三战三捷，兵围辽隧，却碰上连续30多天的暴雨。暴雨令辽水暴涨，司马懿得以快速地运粮至城下；暴雨也令公孙渊洋洋得意，以为能够据城死守。
司马懿料定自己兵少粮多，敌军兵多粮少，胜券在握，即便暴雨淹没了许多军营，也不肯撤退。
雨停后，司马懿筑丘起楼，将大石箭弩一股脑地往城内丢，加上城内粮尽，燕军死伤无数，将领们弃城投降。公孙渊后悔不迭，惊恐交加。
8月的一天晚上，一颗大流星划过天空，坠入襄平东南。司马懿立即散布谣言，公孙渊更加恐惧，2次请降被拒绝。无奈之下，公孙渊率数百骑向东南突围而逃，在流星落地之处被司马懿大军追上斩杀。
入城后，司马懿为了一劳永逸，屠斩15岁以上男子7000多人，将公孙渊手下百官及家属2000多人斩首示众，筑成京观。一时间，襄平城内，腥风血雨，人头滚滚。
司马懿又将辽东4万户、70万人口分批内迁（只比蜀国少20万人）。3代4人苦心经营50年的辽东繁荣不再，公孙家就此灭亡，
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