Năm 256, Lưu Thiện chính thức phong cho Khương Duy làm Đại tướng quân[22][23]. Duy định ước với Hồ Tế hội quân ở Thượng Khuê để cùng chống Ngụy nhưng Hồ Tế không đến. Khương Duy một mình lãnh quân giao chiến với Đặng Ngải ở Đoạn Cốc và thua trận, thương vong rất nhiều. Lưu Thiện theo lời thỉnh tội của Khương Duy, giáng ông ta làm Hậu tướng quân. Cùng năm đó, ông lại phong cho người con là Lưu Toản làm Tân Bình vương.

Năm 257, Khương Duy nhân cơ hội quyền thần nước Ngụy Tư Mã Chiêu đang giao tranh với Hạ Hầu Bá bèn đem quân ra Kì Sơn đánh Ngụy, nhưng không thắng phải rút về.

Năm 259, Lưu Thiện tiếp tục phong vương cho các con: Lưu Kham làm Bắc Địa vương, Lưu Tuân làm Tân Hưng vương, Lưu Kiền làm Thượng Đảng vương[24].

Năm 262, Khương Duy tiếp tục tiến đánh vùng Thao Dương. Đặng Ngải đưa quân phá tan quân Thục ở Hầu Hòa[25], quân Thục bị tổn thất nghiêm trọng. Tuy nhiên về sau Khương Duy dùng mưu "Dương Đông kích Tây", đánh bại Đặng Ngải, mang quân chiếm được 9 trại Kỳ Sơn, chuẩn bị tấn công Trường An. Thấy tình thế bất lợi, Đặng Ngải sai người mua chuộc hoạn quan Hoàng Hạo nhờ Hạo khuyên Lưu Thiện chúa triệu Duy về. Hoàng Hạo khoe tài muốn ra thay Khương Duy nên Lưu Thiện sai sứ hai ba lần đến thúc giục Khương Duy lui binh. Khương Duy đành phải lui về. Hoàng Hạo sau đó lại xin Lưu Thiện rút lại lệnh xuất quân. Khi Khương Duy về triều thì không được Lưu Thiện gặp. Khương Duy ghét Hoàng Hạo chuyên quyền, bẩm với Lưu Thiện muốn giết đi. Lưu Thiện nói:

Rồi sai Hoàng Hạo đến tạ tội với Khương Duy, Khương Duy sợ bị trả thù bèn nói với Hoàng Hạo rằng muốn ra Đạp Trung[26] lập đồn điền để tránh tai vạ. Cuộc bắc phạt chấm dứt.