正月，文钦对诸葛诞说：“蒋班、焦彝说我们无法突围而降魏，全端、全怿又率部投敌，此时敌军必有松懈，可以一战！”诸葛诞与唐咨等人认同，于是打造大量攻城器具，昼夜五六日猛攻南围，试图突围。魏军在高处以投石车、火箭焚烧攻城器具，矢石如雨，寿春兵死伤遍地，血流满壕，终究未能破围。城内粮食愈发匮乏，出降的百姓达数万之众。文钦想将北方人全部赶出城以节省粮食，与吴人共同坚守，诸葛诞不同意，二人由此生恨。文钦与诸葛诞本有旧怨，只是因计谋相合才合作，局势危急时猜忌更深。一次文钦与诸葛诞议事，竟被诸葛诞斩杀。文钦之子文鸯、文虎率部在小城，听闻父死欲领兵救援，部下却不肯效力，二人便单骑越城投降司马昭。军吏请求诛杀二人，司马昭说：“文钦罪该万死，其子本应连坐，但二人走投无路来降，如今城未破，杀他们只会让敌军更死心塌地。”于是赦免文鸯、文虎，让他们率数百骑兵绕城高呼：“文钦之子都未被杀，其他人何必恐惧！”又上表封二人为将军、关内侯。城内守军大喜，却也因日益饥饿而斗志瓦解。
司马昭亲自到围城前线，见城上守军持弓却不射箭，说：“可以进攻了！”于是四面进军，鼓噪登城。二月乙酉日，魏军攻克寿春。诸葛诞窘迫之下单骑率部下突围，被司马胡奋部将斩杀，诛灭三族。其麾下数百人排成队列，拱手不降，魏军每杀一人便劝降一次，始终无人动摇，直至全部战死。吴将于诠说：“大丈夫受主命领兵救人，既不能克敌，又束手降敌，我绝不如此！”于是免冠冲阵而死。唐咨、王祚等人投降，被俘吴军万余人，缴获的兵器堆积如山。
司马昭刚包围寿春时，王基、石苞等将领都急着强攻。但司马昭却认为：“寿春城防坚固，敌军人数又多，硬攻只会白白消耗兵力。要是这时东吴援军杀到，我们腹背受敌，就危险了。现在诸葛诞、文钦、唐咨三个叛将挤在一座孤城里，说不定是老天爷要让他们一起完蛋，我们不如用周全的计策困住他们。只要守住三面，东吴军队走陆路来援，粮草肯定不够。我们再派轻骑兵截断他们的运粮通道，不打就能把他们耗垮。等打败了东吴援军，诸葛诞这帮人自然插翅难逃！”于是，他下令各军按兵不动，坚守阵地，最终没强攻就拿下了寿春。
战斗结束后，又有人提议：“淮南地区总是叛乱，这些东吴士兵的家都在江南，不能放虎归山，干脆全部活埋！”司马昭却摇头说：“古人打仗讲究不战而屈人之兵，只杀罪魁祸首就行了。把这些东吴士兵放回去，正好能显示我们的大度。”最后，他一个俘虏都没杀，而是把这些人安置在三河附近的郡县。还封唐咨为安远将军，其他将领也都授予相应官职。淮南那些被诸葛诞胁迫的将士百姓，也都得到赦免。他甚至允许文鸯兄弟收敛父亲的尸体，还赐给他们牛车，让他们把父亲安葬到祖坟。
寿春之战后，司马昭想派轻装部队深入东吴，招降唐咨等人的家属，趁机灭掉吴国。王基却赶紧劝阻：“以前诸葛恪在东关打了胜仗，倾尽东吴兵力围攻新城，结果城没打下来，士兵死了一大半。姜维在洮西获胜后贸然深入，最后粮草断绝，在上邽吃了大败仗。打了大胜仗后，最容易轻敌，一轻敌就会忽略潜在的危险。现在吴国刚在外面吃了败仗，内部矛盾也没解决，正是他们加强防备的时候。而且我们的军队出征快一年了，将士们都想回家。这次我们俘虏了十万人，首恶也都落网，自古以来的征战，从没像这次这样大获全胜还不伤元气的。当年曹操在官渡打败袁绍，就觉得收获够多没再追击，就是怕过度冒进反而折损锐气。”司马昭听后觉得有理，便放弃了计划，还提拔王基为征东将军，都督扬州诸军事，封东武侯。
史学家习凿齿称赞道：“司马昭这场战役，堪称以德服人的典范。穷兵黩武的人往往死于不仁，空谈仁义却懦弱退缩的国家也会灭亡。而司马昭一战擒获三大叛将，俘虏大批吴军，不战而胜。刚打完仗就论功行赏，还善待吴国降兵，不计前嫌允许文鸯葬父，赦免受胁迫的百姓。功劳大却不让人嫉妒，事业广还能让敌人心服口服。这样文武双全的人，天下谁能抵挡？”
钟会在寿春之战中出谋划策最多，战后司马昭对他越来越信任，把他当作心腹。当时的人都说钟会就像刘邦身边的张良。
蜀汉的姜维听说诸葛诞兵败身死，只好退回成都，又被封为大将军。
曹魏这边，五月时皇帝下诏封司马昭为相国，晋公，食邑八郡，还赐予九锡之礼。司马昭推辞了九次，才暂时接受。
东吴那边也不太平。七月，吴主封原来的齐王孙奋为章安侯。八月，曹魏任命骠骑将军王昶为司空。皇帝还封关内侯王祥为“三老”，郑小同为“五更”，亲自带着大臣们到太学举行养老、求教的礼仪。郑小同是郑玄的孙子。
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