南中平定之后，诸葛亮解除了后顾之忧。开始把主要精力转向他一生为之奋斗的主要目标：北伐曹魏，统一天下。
建兴四年（226），诸葛亮已经是46岁的中年人了。他常常想到日月如梭，而自己壮志未酬，便更加抓紧时机练兵讲武，不敢有丝毫的懈怠。
就在这一年，魏文帝曹丕病死了，22岁的太子曹睿即位，史称魏明帝。
魏国政局的变动，对吴、蜀两国都是一个有利的时机。吴王孙权，先发制人，两次派兵攻打曹魏。
诸葛亮一看时机成熟，决心出师北伐。但出师之前，他不得不把朝中的政事作仔细安排。
这时蜀国的皇帝后主刘禅，是个吃惯了“省心饭”的君主，事事依靠诸葛亮，凡事不动脑子。
出师的前夕，诸葛亮向后主刘禅上了一份奏章，这份奏章一直流传下来，被后人称为《出师表》。
诸葛亮在这份奏章中表明了自己的心志，他说：“先帝（指刘备）开创帝业没有完成就中途逝世了。现在天下分成三国，而蜀国的力量最为薄弱，这实在是危急存亡的关头。然而，在宫廷里，侍从护卫的大臣毫不懈怠，忠心耿耿的将士在外面舍生忘死，这是出于追念先帝生前对他们的特殊恩遇，想要报答陛下。陛下应该广泛地听取臣下的意见，以发扬光大先帝遗留下来的美德，振作志士们的勇气，不应过分地看轻自己，讲些不合情理的话，以致堵塞臣子向您进谏的道路。皇宫里的侍臣和丞相府里的属官应是一个整体，对他们的提升惩罚、奖励贬斥，不应该两样看待。如有违法乱纪或尽忠为善的，应交主管官吏评断，以显示陛下治国的公正严明。不要有所偏袒，使宫廷内外执法不一。”
接着诸葛亮又交代说：“侍中郭攸之、费祎，侍郎董允等人，都善良诚实，志向忠贞，因此先帝才选拔他们留给陛下任用。我认为，宫廷里的事情，无论大小，都要同他们商量，然后实行，这样，有利于弥补缺漏。将军向宠，善良公正，又通晓军事，过去试用他的时候，先帝称赞他很能干，因此大家推举他担任都督。我认为军营中的事，都应该同他商量处理，一定会使军队内部和睦，优劣各得其所。”
说到这里，诸葛亮想到历史上用人的经验教训，又说：“亲近贤臣，疏远小人，这是前汉所以兴盛的原因；亲近小人，疏远贤臣，这是后汉所以衰败的原因。先帝生前，每当和我谈论这件事，没有一次不对桓、灵两帝时的黑暗政治表示痛心和遗憾。侍中郭攸之、费祎，尚书陈震，长史张裔，参军蒋琬，这些人都是忠实贤良能以死报国的臣子，希望陛下能亲近他们，信任他们，这样，汉朝的兴盛就可以很快到来了。”用人问题是诸葛亮反复向刘禅进言提醒的要点。
交代好宫中的政务，目的在于安定后方，同时，诸葛亮又表达了自己出师北伐、铲除凶顽、兴复汉室、还都洛阳的决心。他很动感情地说：
“我本来是个平民，在南阳耕种田地。生在乱世，只求苟全性命，没有想到要在州郡诸侯中显身扬名。先帝不嫌我的地位卑贱，降低身份，三次到草庐来，向我询问当世大事。因此，我对他衷心感激，答应为他奔走效劳。后来，正好遇到荆州大败，我受任于败军之际，奉命于危难之间，至今已有二十一年了。”
“先帝知道我为人小心谨慎，所以在临终时把国家大事托付给我。自接受委托以来，我日夜忧虑叹息，深恐辜负先帝的知人之明，所以我在五月间率军渡过泸水，深入到不毛之地远征。现在南方已经安定，我们兵精粮足，应当鼓励三军，北定中原。我愿竭尽全力，铲除凶顽，兴复汉室，打回旧都洛阳。这是我报答先帝，并效忠于陛下所应尽的职责。”
最后他坚定地表示：“希望陛下把讨伐奸贼、复兴汉室的重任交给我，如果完不成，那就治我的罪，以告先帝在天之灵。一想到先帝过去的遗诏，我就感到受恩非浅，不胜感激。现在我就要远离陛下去进军了，写完这份奏章，我心情激动，泪流不止，不知道自己所说的话是否恰当……”
这份《出师表》内容真实反映了诸葛亮开明智慧的政治思想和统一中原的远大抱负，抒发了他的忧国忠贞之情。
为了迷惑曹军，诸葛亮采用声东击西的办法：先放出风声，说蜀军要由斜谷（今陕西眉县西南）出兵，去攻打郡城（今陕西眉县北），后派赵云、邓芝带领一支军马作为疑兵，进军斜谷南面的箕谷。诸葛亮自己则率领主力军，向西北方向的祁山（今甘肃西和县西北）扑去。诸葛亮的声东击西打法，果然调动了敌军。
蜀军要进攻郡城的情报传到魏都洛阳，魏明帝赶忙派大将军曹真总督大军，出兵抗蜀。他自己也到长安去坐镇。当曹军把主力放在东线时，蜀军向西线发动攻击，所向披靡，一举攻下了曹魏所属的天水等地（在今甘肃），魏将姜维到诸葛亮军前投降，诸葛亮很高兴地接纳了他。北伐的开局取得了胜利。
然则，马谡大意失街亭，几乎使这次北伐的成绩丧失殆尽。