早已準備好一年多的糧食，打算長期固守；又以子諸葛亮靚為質，請求東吳出兵救援。

訊息傳到洛陽，司馬昭這邊快速反應，立即以皇后和太后名義釋出命令*諸葛誕。調集二十六萬大軍屯駐丘頭（今河南沈丘），並任鎮南將軍王基行鎮東將軍，都督揚州、豫州諸軍事，和安東將軍陳騫等相互照應，圍攻壽春。

與此同時，東吳應諸葛誕請求，派出將軍全懌、全端、唐諮、王祚等率軍三萬兵，會同降將文欽等往救淮南，正值魏兵剛剛到達，合圍尚未形成，全懌、文欽等依山勢從城*入城內。另一路吳將朱異率軍三萬兵駐屯安豐，作為全懌等人外援。

魏軍主將王基是位富於作戰經驗的軍事家，他本來要求快速進攻，司馬昭卻命令收斂軍隊在城外防守，又詔命他轉據北山。王基認為不妥，上表回奏說：“現與敵相對，當不動如山，如輾轉遷移，依據山險，反易使軍心動搖，士氣大受損傷。現我軍各據其所，深溝高壘，人心安定，不應再有所動搖，這是統兵之要啊。”司馬昭認為說的有理，授予他自由掌握的權力。他於是部署四面合圍，包圍陣地層層疊疊，文欽等幾次出城攻擊都被打回。

不久，督兗州刺史州泰等在陽淵擊敗壽春外圍吳將朱異，殺傷吳兵二千餘人，朱異逃走。七月，吳再派朱異等率兵萬餘人，朱異把輜重留在都陸，輕兵進至黎漿。魏將石苞、州泰等再次攻擊朱異，朱異又失敗退走。留在都陸的輜重、糧食等都被泰山太守胡烈出奇兵縱火燒燬，吳兵餓極，靠食葛葉漸次退走，朱異被吳大將均孫綝歸罪殺死。

司馬昭分析吳人為何誅殺朱異原因時分析說：“朱異軍不能到達壽春，不是朱異本人罪過。而吳人殺他，意在向壽春表明堅決支援的態度和決心，堅定諸葛誕部隊守城意志，使其對外部救援仍抱希望。否則城中軍會拼死突圍。或者認為圍城大軍不能持久，而節減口糧，以待時變，我料敵情不出以上三種情況。我軍應想法亂其部署，使其麻痺輕敵，這才是制勝之計。”因此命令部隊加緊包圍，分遣老弱士兵到淮北就食，並明白告訴士兵們說，軍中糧食匱乏，每人只能供應三升黃豆了。

城中守軍探聽到魏軍無糧訊息，果然非常高興。司馬昭又命令部隊向敵示弱，使用反間計，揚言吳國救兵將至，故意表現出驚慌的樣子。諸葛誕果然被魏軍種種假象所迷惑，以為敵人即將退去，城中之圍指日可解，遂讓士兵們放開吃喝。城中糧食很快吃盡，城外援軍卻未到來。諸葛誕頓時慌了手腳，手下將領們有的主張拼死突圍，有的主張繼續固守，幾乎鬧到劍拔弩張的地步。諸葛誕的親信將領蔣班、焦彝甚至偷偷出城投降魏軍。這時偏偏屋漏又逢連陰雨，吳國內部發生突然事變，吳將全懌、 全儀與人爭訟失敗降魏，司馬昭教人以二人名義秘密寫信送給城中全懌、全端及弟侄全靖、全翩，全緝等。信中造謠說：“吳王憤怒全懌等攻守壽春不力，要把他們各家家屬全部殺光。”全懌等很是害怕，率領部眾數千人出城投降，城中防守力量更加薄弱。

甘露三年（258年）正月，文欽與諸葛誕之間發生矛盾，在一次激烈爭吵時被諸葛誕殺死，文欽兒子文鴦，文虎翻越城牆投降司馬昭。文欽父子曾是魏兵死敵，給予魏兵造成重大殺傷，如今文鴦兄弟落到魏兵手裡，軍中諸將紛紛要把二人殺死。司馬昭卻主張赦免二人，他勸大家說：“文欽父子固然罪不可赦，但文鴦兄弟窮途末路歸降於我，我如殺死他們，城中守軍誰還敢來投降？殺死二人，是堅定敵人守城決心。”於是赦二人無罪，都授以將軍銜，賜爵關內侯，並配給幾百名騎兵讓他們沿城巡迴呼喊：“文欽的兒子都赦免不殺，何況他人呢？你們還猶豫什麼，趕快出城投降呀！”

城中守軍聽到呼喊，軍心動搖，加之糧食已盡，飢餓難耐。這時司馬昭引軍巡城，見城上士兵虛張弓矢，卻不發箭，知道火候已到，對諸將說：“可以攻城了。”魏軍從四面八方加緊包圍，激烈攻城，二月二十日攻破壽春，殺諸葛誕並滅三族。吳將唐諮、王祚、徐韶等率部屬投降。魏軍中有人耽心吳降兵日後反叛，主張全部坑殺他們，司馬昭卻表現出空前大度說：“古人用兵，以保衛國家為上，對於敵人，只殺其首惡，現諸葛誕等既已伏罪，投向吳兵就不用追究了。即使他們逃回吳國，也足以顯示我堂堂中國寬宏大度。”吳降兵一個未殺，分別安置到河南、河東、河中三地；吳將唐諮被封安遠將軍，其他將領按級任職，人心大順。

戰後，司馬昭被封晉公，進位相國，“增邑萬戶，食三縣，諸子無爵者皆封列侯（《晉書·帝紀二》）。