建兴五年（227），诸葛亮率诸军北驻汉中，临发，上疏《出师表》曰：“先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。”益州疲弊，有危急存亡之虞，是没有道理出兵的。实际上，经诸葛亮一番治理，益州有所安稳，略显丰盈。
　　曹睿闻诸葛亮屯兵汉中，还欲大发兵攻之。孙资曰：“天下骚动，费力广大，此诚陛下所宜深虑。夫守战之力，可御三倍攻势。但可分命大将据诸要险，威足以震摄强寇，镇静疆场，将士虎睡，百姓无事。数年之间，中国日盛，吴蜀二虏必自罢弊。”曹睿由是止（《三国志·孙资传》注引《资别传》）。
　　建兴六年（228）春，诸葛亮联合孙权北伐，自率二十万大军准备出征。诸葛亮若有夸大的话，率十余万兵是差不多的。诸葛亮与群下计议征战方案。魏延欲诸葛亮率大军出斜谷，自与精兵五千，循秦岭而东，当子午而北，掩袭长安。长安守将夏侯楙怯而无谋，必弃城逃走。如此，则一举而长安以西可定矣。诸葛亮以为此计悬危，不如安从坦道，平取陇右，十全必克而无虞，故不用魏延计，而使赵云将兵据箕谷，为疑军，扬言出斜谷取郿县，自统大军攻祁山。两种作战方案，一正策一奇计，孰优孰劣还是难分的。诸葛亮是欲断陇以逼长安，魏延认为克长安陇地自定。
　　诸葛亮出陇右，天水、南安、安定三郡望风而降，但陇西郡不动。陇西太守游楚召会吏民，谓之曰：“今东二郡已去，必将寇来，但可共坚守。若国家救到，寇必去，是为一郡守义。若官救不到，蜀攻日急，尔乃取太守以降。”吏民遂城守。游楚闻蜀兵到，乃遣将出门设阵，而自于城上晓谓蜀帅曰：“卿能断陇，使东兵不上，一月之中，则陇西吏人不攻自服；卿若不能，虚自疲弊耳。”遂使鸣鼓击之，蜀兵乃去（《三国志·张既传》注引《魏略》）。可见，游楚把话说得明白：蜀军能否占得陇右，取决于与魏援军的会战。诸葛亮不费一枪一弹，顺利进入天水、南安，见游楚负隅顽抗，遂放下陇西，将大军朝东北安定进发。
　　诸葛亮任马谡为先锋，督大军在前，可众臣皆以为宜用魏延、吴壹等宿将。刘备临终时对诸葛亮说，马谡言过其实，不可大用。诸葛亮不以为然。是时魏臣不知计所出，曹睿曰：“亮阻山为固，今者自来，既合兵书致人之术；且亮贪三郡，知进而不知退，今因此时，破亮必也。”遂亲率五万兵马急赴长安（《三国志·明帝纪》注引《魏书》）。曹睿聚合五万兵，加关中数万兵，援军应在十万左右。十余日，诸军上陇。曹真至郿县，张郃向街亭，以同蜀军会战。诸葛亮未把曹睿这个少帝放在眼里，盘算着如何乘胜前进，曹睿则料到诸葛亮的动向，出手不凡。诸葛亮的才能，理政优于将略，而曹睿正好相反，用兵长过安民。马谡先至街亭，弃城舍水，依山为阻。张郃寻至，绝其汲道，大破之。曹真亦迫退赵云。诸葛亮进无所据，不得已退还汉中，斩马谡，贬赵云，并求自贬。曹真、张郃收复三郡。曹真料定诸葛亮后出必从陈仓，乃使郝昭等率千余人守备。诸葛亮似应在天水一带布阵，以逸待劳，与魏援军会战，力争杀伤其有生力量。而他使马谡向街亭，意图可能是要去占安定，欲有地盘。
　　是岁冬，诸葛亮闻孙权大破魏大司马曹休于石亭，魏军东下，关中虚弱，遂统众数万，出散关，围陈仓。郝昭坚守，诸葛亮久攻不克，见粮尽而魏救兵又到，乃引退。
　　诸葛亮两次北伐失利，并失武都、阴平二郡。东汉末，武都郡属雍州。《三国志》中的《武帝纪》、《刘备传》、《曹真传》、《张既传》、《杨阜传》等传纪曰：刘备向汉中，遣张飞、马超等入武都。曹操遣曹洪等救武都，自将兵至长安。曹洪退张飞、马超。刘备杀汉中守将夏侯渊。曹操入汉中，寻撤兵，使曹真至武都迎曹洪还屯陈仓，使张既、杨阜徙武都民氐，使居京兆、扶风、天水，徙郡至扶风小槐里。刘备占汉中即逼武都。这说明曹操全面撤出汉中、武都二郡，刘备遂有之。东汉时，益州广汉郡北部置有广汉属国。《晋书·地理志》曰：刘禅建兴二年（224），改广汉属国为阴平郡。说明阴平为蜀所有。刘备取益州时，曹操平定雍凉，并从武都入汉中，似未尝进阴平。就算曹操有阴平，刘备克汉中，占武都，也势必要取之。武都东邻汉中，北与扶风、天水、南安、陇西接壤，西南连阴平，是汉中出陇右所经之地。诸葛亮出陇右，只说天水、南安、安定叛，陇西未叛，未提武都如何，说明武都不在魏，而在蜀。武都若在魏，蜀军要从汉中向祁山，显然就得先取之。实际上，诸葛亮第一次是出武都而入祁山的，第二次亦是经武都而围陈仓的。事实很可能是，诸葛亮因两次北伐无获而反失武都、阴平。因武都所处的位置，曹操撤出兵民后，刘备也不可能大力投入，主要还是经营汉中。或者说，武都基本是双方的缓冲地带。
　　建兴七年（229），诸葛亮出兵武都、阴平，退走郭淮，收复二郡。
　　建兴八年（230），曹睿遣大司马曹真由斜谷、大将军司马懿由西城进攻汉中，因霖雨连日而退。魏延奉诸葛亮命至羌中，入南安，大破郭淮。史料对此战记载不甚详。郭淮很可能是应曹真伐蜀又入武都、阴平，魏延击退之。《三国志·曹真传》曰：魏太和四年（230），曹真请数道伐蜀，曹睿准之。曹真八月发长安，从子午道南入。司马懿溯汉水，当会南郑。诸军或从斜谷道，或从武威入。《三国志·刘禅传》曰：蜀建兴八年（230）秋，魏使司马懿由西城，张郃由子午，曹真由斜谷，欲攻汉中。两相对照，魏军由西城、子午、斜谷进攻汉中是可以肯定的，曹真是由子午还是斜谷入不确定，但问题无关紧要。有问题的是“从武威入”不好理解。武威郡属凉州，在雍州南安、天水二郡北。时徐邈为凉州刺史，郭淮为雍州刺史。让凉州兵穿过雍州伐蜀的可能性不大。武威很可能是武都之误。曹真欲数道并入，大伐蜀，召郭淮从武都入较合乎情理。从武都入，直接入汉中，从武威入，得经南安或天水入武都，然后才能入汉中。建安二十年（215），曹操征汉中张鲁，便是从武都而入的。曹真、司马懿等退走后，郭淮可能盘桓在武都、阴平一带，魏延退之，并又追之。诸葛亮平定武都、阴平二郡，应该看做是收复故地，而不是北伐。魏延战败郭淮，大致也是如此。蜀军可能在这段同魏军争夺武都、阴平二郡的时间里，使阴平向北扩展了。
　　建兴九年（231），诸葛亮再出祁山。曹真病死，曹睿遣司马懿救之，司马懿进至隃麋。诸葛亮攻上邽，司马懿急进，诸葛亮后退，两军相拒祁山。李严运粮不继，谎召诸葛亮撤军。诸葛亮还，张郃追尾，中箭亡。诸葛亮查出李严作伪，废之为民。
　　诸葛亮废李严，实际是独掌辅政之权。《三国志·李严传》及注引记录了一些二人争权的情况。李严曾书与孟达曰：“吾与孔明俱受寄托，忧深责重，思得良伴。”这说明李严想握有跟诸葛亮差不太多的权力。诸葛亮经连吴、安民、南征、治戎讲武、北驻汉中这一系列活动，已基本将军政大权一揽在手。李严无奈，书与诸葛亮，说其宜受九锡，进爵称王。诸葛亮答书曰：“吾与足下相知久矣，可不复相解。吾本东方下士，误用于先帝，位极人臣，禄赐百亿，今讨贼未效，知己未答，而方宠齐晋，坐自贵大，非其义也。若灭魏斩睿，帝还故居，与诸子并升，虽十命可受，况于九邪！”诸葛亮每当北出，都欲李严来镇汉中。李严皆推辞，或求分益州东部诸郡为巴州，以其为刺史，或求开府。诸葛亮欲相辖，李严则图并立。
　　《三国志·吕乂传》曰：诸葛亮连年出军，调发诸郡，多不相救，巴西太守吕乂募取兵五千人诣亮，慰喻检制，无逃窜者。徙为汉中太守，兼领督农，供继军粮。说明诸葛亮在前线征战时，并未得到后方的有力支援。诸葛亮有言：“今民贫国虚，决敌之资，惟仰锦耳。”（张澍《诸葛忠武侯文集》卷二《今民贫国虚教》）可见蜀国已非常穷困，只有靠出售蜀锦以供军资，以同敌战。诸葛亮终其一生爵为乡侯，《三国志·蜀书》记封县侯者不过魏延、姜维、王平、吴壹等寥寥数人，食邑多少不详，恐不会有逾万者，与魏吴不能比，这从一个侧面可以反映蜀国人稀物少的情况。
　　司马懿部将皆言，陇右无谷，宜急输运，以备诸葛亮再犯。司马懿曰：“亮二出祁山，一攻陈仓，受挫而返。纵其后出，不复攻城，当求野战，必在陇东，不在西也。亮每以粮少为恨，归必积谷，以吾料之，非三年不能动矣。”于是安治陇右（《晋书·宣帝纪》）。从司马懿嘴里，我们也可以知道诸葛亮共三次北出，诸葛亮收复武都、阴平，魏延战郭淮都是不算的。
　　三年后，建兴十二年（234）二月，诸葛亮又积蓄了一些力量，遂又约孙权出兵，自率十万众出斜谷，屯渭水南岸，欲图陇东。据《晋书·宣帝纪》、《三国志·诸葛亮传》等传纪记载，可知是役的一些始末情况。
　　魏将欲驻渭水北岸以待之，司马懿曰：“百姓积聚皆在渭南，此必争之地也。”遂引军渡渭水，背水立营。司马懿又曰：“亮若勇者，当出武功依山而东，若西上五丈原，则诸军无事矣。”诸葛亮果上五丈原。
　　两军相拒百余日，诸葛亮数次挑战，司马懿均不应。诸葛亮送司马懿女人服饰以辱之。司马懿大怒，上表请战。曹睿诏之但坚壁拒守，以逸待劳，并遣辛毗为其军师，持使持节以制之。诸葛亮又挑战，司马懿欲出兵，因辛毗杖节立军门，乃止。姜维对诸葛亮曰：“辛毗杖节而到，贼不复出矣。”诸葛亮曰：“彼本无战情，所以固请战者，以示武于其众耳。将在军，君命有所不受，苟能制吾，岂有千里而请战耶！”
　　五月，孙权闻诸葛亮与司马懿对峙，度曹睿不敢远出，遂率众向合肥新城，另遣二军分入淮沔。七月，曹睿亲御水军东征。孙权攻城不下，退走，余军亦还。魏臣欲曹睿西向长安以助司马懿，曹睿认为吴军退，司马懿自可御蜀，遂还。
　　司马懿见诸葛亮使，问诸葛亮寝食等事。答曰：“诸葛公夙兴夜寐，罚二十以上，皆亲览焉；所啖食不至数升。”司马懿对部将说：“亮将死矣。”
　　司马孚书问军事，司马懿复曰：“亮志大而不见机，多谋而少决，好兵而无权变，虽提卒十万，已堕吾画中，破之必矣。”像陆逊破刘备胸有成竹一样，司马懿认为胜诸葛亮十拿九稳。八月，诸葛亮病死军中。姜维等依诸葛亮遗计撤军。百姓奔告，司马懿出兵追之。蜀军反旗鸣鼓，似若迎战。司马懿怕有诈，不敢逼迫，于是蜀军结阵而去。经日，司马懿知诸葛亮死，叹其金蝉脱壳。其实，司马懿已料到诸葛亮将死，只是不知确切日时。两雄对弈，诸葛亮中干外强，欲速而不达；司马懿敛锋示羸，笑到了最后。
　　诸葛亮共作四次北伐，两向陇右，两向陇东。陈寿评价诸葛亮曰：亮之素志，进欲龙骧虎视，苞括四海，退欲跨陵边疆，震荡宇内。又自以为离世之日，则未有能蹈涉中原、抗衡上国者，是以用兵不戢，屡耀其武。然亮才，于治戎为长，奇谋为短，理民之干，优于将略。而所与对敌，或值人杰，加众寡悬殊，攻守异体，故虽连年动众，未能有克。昔萧何荐韩信，管仲举王子城父，皆忖己之长，未能兼有故也。亮之器能政理，可比管仲、萧何，而时之名将无城父、韩信，故使功业陵迟，大义不及耶？盖天命有归，不可以智力争也。
　　诸葛亮自比有管仲、乐毅之才，但陈寿认为他出相胜于挂帅，可比管仲，而不及乐毅。刘备死，给了诸葛亮施展才能的机会。三国有识之士多认为，统治者宜息武功，开启治道，恢复民力，使国家强盛，立足于不败之地，才有望实现统一。诸葛亮的才能正适合于此，他也明白治与乱的道理，但是，因身临乱世战争，为其惯性所使，激情淹没了理智。
　　诸葛亮自谓文武双全，不像管仲有自知之明只管政事而荐他人带兵，所以多少压抑埋没了一些能征惯战的将领（注一）。而司马懿确是兼得智勇的人物。诸葛亮面对这等对手，是很难胜出的。
　　蜀国刚有一些起色，魏国不过是曹丕死，曹睿即位，诸葛亮随即两次出征。这尽管不是很好的时机，诸葛亮还是有蚕食雍凉的的可能性。但战争的结果证明，蜀国还很弱小，魏国还没有自溃。诸葛亮应该清醒，只能固守要害，为持久计。实际诸葛亮是知道这一点的，但是要待自己强盛，对手衰落时去实现宏图伟愿，那只能以俟来者了。生命短暂，山河何时变，现实的分立与梦寐以求的统一在英雄豪杰的心中就这样成了难解的矛盾。志大力有限，不想安生，就只能去冒险。曹操、曹丕、曹睿、刘备、孙权等皆有这样的心态。混乱可以侥幸，渐安还是应该务求实际。
　　后人的宣传，诸葛亮留下了很好的名声，有人可能是出于对他北伐失败的同情，遂说他采取的不是扩张，而是以攻为守的战略。《三国志·邓艾传》注引《袁子》曰：诸葛亮骤用蜀兵，此知小国弱民难以久存也。这是幼稚的看法，稍有一点军事和地理常识的人都不会同意。四塞蜀国用不着以攻为守，它可以闭关自守。法正的下计即此，诸葛亮辅政伊始也是如此而为。《三国志·魏延传》注引《魏略》曰：诸葛亮临终，谓诸将曰：“我死之后，但谨自守，慎勿复来也。”诸葛亮若谓弱蜀非得以攻为守，何又要自守？一个国家竭尽人力物力不断发动进攻，没有别的目的，只是为维持生存，那真是生不如死好。前面说过，曹睿闻诸葛亮出陇右，谓其阻山为固不好对付，而敢出来，既合兵书致人之术。这就好象足球比赛，强队不怕跟弱队打对攻，头疼的是它龟缩不出。三足鼎立后，从曹操、曹丕的用兵来看，他们的重点是在攻吴，对蜀采取的是守势。司马懿屯宛城，主要是压江陵，其次策应两翼。诸葛亮屡出，很快把司马懿引到了西线。
　　注一：诸葛亮将征南中，王连谏其不宜亲行。诸葛亮虑诸将才不及己，意欲必往（《三国志·王连传》）。诸葛亮临行，马谡送之，并出攻心之策，诸葛亮纳之（《三国志·马谡传》注引《襄阳记》）。诸葛亮何不此时让马谡领军南征，查其才干，若赢，增其经验，若败，损失不大。诸葛亮亦大可不必急入汉中，可仍用魏延镇之，视其能力，再定部署。