青龙三年（235年），司马懿升任太尉，累增封邑。蜀将马岱入境侵扰，司马懿派牛金迎击，斩蜀军千余人。武都氐王苻双和强端率领其属下六千余人来降。
平定辽东
东汉末年军阀混战时，公孙度据有辽东。这个割据势力对曹魏一直时叛时降，保持着半独立的地位。公孙渊继为辽东太守后，对魏更加不逊。魏明帝震怒，派荆州刺史毋丘俭出任幽州刺史，时辽水大涨，毋丘俭不利而还。毋丘俭讨伐受阻，使公孙渊更加得意。景初元年（237年），原魏辽东太守公孙渊背叛魏国，自立为燕王，置列百官，定都襄平（今辽宁辽阳）。公孙渊遣使南通孙权，封拜边民，诱呼鲜卑，侵扰北方。
司马懿出兵辽东
景初二年（238年）当年正月，司马懿率牛金、胡遵等步骑四万，从京师出发，经孤竹，越碣石，六月，进至辽水。公孙渊急令大将军卑衍、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。
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，我们的军队是孟达的四倍，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？以四攻一，即使一半人伤亡，也是可行的，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。”
月余，雨停，水渐退去。魏军完成对襄平的包围，昼夜强攻。城内粮尽，死者甚多，其将杨祚等降。当时城中愈发震恐，公孙渊也很惊惧，八月，公孙渊派相国王建、御史大夫柳甫请求解围，司马懿斩杀使者，发布檄文严责。公孙渊又派侍中卫演来请求定日期送人质，司马懿拒绝人质。公孙渊欲从城南突围，司马懿纵兵击破其军，公孙渊战死在梁水边上。
入城后，司马懿下令屠杀十五岁以上男子七千多人，收集尸体，筑造京观。而后他又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、贾范等人修了坟墓，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于彻底解决。
托孤重臣
原本朝廷让司马懿便道往镇关中。但当到达白屋时，有诏书召他火速回京，三日之间，诏书五至。魏明帝手书说：“间侧息望到，到便直排阁入，视吾面”。据说，司马懿在襄平时，曾梦见魏明帝枕在他膝上，说：“视吾面。”
他俯视，见魏明帝面有异色。如今一见诏书此语，大惊，乘追锋车昼夜兼行，从白屋到京城，四百多里，一夜而至。至则径人嘉福殿内御床旁边，满眼流泪，指问疾病。魏明帝拉着他的手，目视太子齐王，说：“以后事相托。死乃复可忍，吾忍死待君，得相见，无所复恨矣。”（《三国志·魏书·明帝纪》为“吾疾甚，以后事属君，君其与爽辅少子。吾得见君，无所恨。）
当天，魏明帝去世。时为景初三年（239年）正月。齐王曹芳继位，年仅八岁，司马懿乃与大将军曹爽一起接受遗诏辅佐少主。齐王即位，司马懿任侍中、持节、都督中外诸军、录尚书事，和曹爽各统精兵三千人，共执朝政。曹爽欲排挤司马懿，想让尚书奏事先通过自己，以便专权，向天子进言，改任司马懿为大司马。
朝臣们认为以前大司马，有好多都死在任上，不吉，于是任命司马懿为太傅，效仿西汉丞相萧何那样，入殿不趋，赞拜不名，剑履上殿。以世子司马师为散骑常侍，子弟三人为列侯，四人为骑都尉。司马懿韬光养晦，大力拒绝不让子弟为官。