建兴五年（公元227年），诸葛亮开始屯兵汉中，为即将开始的北伐作最后的准备。战前，蜀汉文武在南郑召开会议，制定进攻战略。这时魏延向诸葛亮提出了一个大胆的建议：由自己率领精兵五千，由褒中出发，沿着秦岭向东，经过人迹罕至的子午谷地区向曹魏在西北地区的战略要地长安发动突然进攻。魏延认为，此时镇守长安的安西将军夏侯楙虽然是曹魏名将夏侯惇的儿子，又是曹操的女婿，但此人不但年纪轻轻毫无作战经验，而且胆怯无谋，完全是凭借裙带关系坐上了安西将军的高位。魏延认为凭借自己所率领的五千精兵，再带上五千后勤人员，不出十天就可以出其不意地到达长安城下。无能的夏侯楙一旦遇到这种突发状况，必定吓得弃城而逃。如此一来，长安城中就会群龙无首，只剩下更加无能的御史及京兆太守，长安城破是毫无疑问的。一旦长安城破，占据该城的蜀汉将士可以通过横门邸阁的库存粮食及老百姓的散粮保证供应，利于坚守。曹魏的援军如果想收复长安，至少需要二十天的时间才能完成兵马的聚集。而诸葛亮的大军则可以利用这二十天的时间从斜谷地区出发赶到长安城内协防。魏延认为，只要拿下了长安城，诸葛亮就可以不费吹灰之力占领咸阳以西的地盘，取得北伐战争的胜利。
不过，魏延的这个建议被诸葛亮否决了。诸葛亮认为子午谷道路崎岖，未必能在计划的时间内赶到，而且魏延选择的子午谷出兵的计划过于凶险。最后诸葛亮决定，从祁山地区发动进攻，占领陇右。
魏延兵出子午谷的建议是否正确呢？这个问题后人已经争论了一千多年，仍然没有一个较为统一的意见，这就说明这个计划也有一定的可行性。笔者认为，无论是兵出子午谷还是兵出祁山，都不能说哪一个是正确的，哪一个是错误的。其关键还是在于作为北伐大军统帅的诸葛亮所采用的战略到底是哪一个。从历史记载来看，诸葛亮此次北伐的主要目的并不是力图一战而取得决定性的战略胜利，而是将目标固定在陇右地区。这也就意味着诸葛亮采用的是蚕食战略，而魏延兵出子午谷的战术显然与这个战略有着很大的悖逆。这个建议不能为诸葛亮所采用也是一件很正常的事情。不过，作为北伐大军中具有丰富作战经验的魏延心中却因此事充满怨气，觉得诸葛亮过于胆小，自己的才能又得不到充分的发挥。而这种心态的滋生，也为魏延日后的悲剧埋下了伏笔。
按照诸葛亮制定的战略，北伐大军于建兴六年（公元228年）兵出祁山，开始了第一次北伐战争。这里有一个地方需要特别指出的是，此次北伐，诸葛亮的主要对手并不是《三国演义》中所说的司马懿，此时的司马懿还在荆州地区驻守，并未来到祁山前线与诸葛亮交锋。诸葛亮的主要对手有两个，一个是当时曹军的统帅曹真，另外一个就是曹魏名将张合。由于诸葛亮在北伐开始以前就派遣赵云、邓芝率领一支偏师作为疑兵进占斜谷南侧的箕谷并成功引诱曹真率主力东移，诸葛亮真正的对手其实也就是张合了。
战斗开始之后，曹魏集团猝不及防，连连失利，北伐大军的进展非常顺利。天水、安定、南安地区先后落入诸葛亮之手，整个曹魏政权大为震惊。为了应付诸葛亮的进攻，魏明帝曹睿亲自坐镇长安，派遣曹魏名将张合赶往陇右地区增援。张合援军迅速由关陇通道西进，打算从街亭地区进入陇右。此时的街亭就成为双方争斗的要点。诸葛亮守住了街亭就意味着切断了关陇通道，阻止了曹魏援军对陇右地区的增援，反之，如果街亭被张合占领，则北伐大军的后路随时会被曹军切断，造成全军被曹军包围消灭的危险。因此，街亭之战在此次北伐中具有关键性的作用。
派谁去镇守街亭抵御张合援军呢？当时随军的蜀汉谋士和将领们都认为只有魏延和吴壹这样的沙场老将才能担此重任，便纷纷向诸葛亮推荐魏延和吴壹。但诸葛亮最终的决定却出乎所有人的意料。他不但否决了手下推荐的魏延和吴壹，反倒任命毫无实战经验的参军马谡作为先锋前往街亭去抵御张合。
马谡到了街亭之后，违背了诸葛亮的战前部署，以高翔屯兵列柳城、王平在山下扎营，自己则统率大军主力驻守街亭附近的南山之上，准备以逸待劳，迎击张合的援军。张合来到街亭之后，立即发现了马谡这个部署的致命缺陷，并采取了强有力的应对措施：对驻守南山的马谡军队主力围而不攻，切断其水源，造成其主力不战自乱。同时，张合派出郭淮所部对驻守列柳城的高翔所部发动奇袭，很快就将列柳城占领。直到此时，张合才对已经人心惶惶的南山马谡主力发动总攻，很快就将其击溃。除了王平所部的一千将士之外，马谡其余各部均伤亡惨重，不得不放弃街亭这一战略要地仓皇撤回。张合的援军随即迅速进入陇右地区，一举打破了该地守军的被动局面。由于张合在街亭之战取得了巨大胜利，陇右形势发生逆转。诸葛亮眼看取胜无望，不得不下令全军撤回汉中，天水、安定、南安三郡也随即被曹魏军队夺回。可以说正是街亭之战的失利，直接导致了诸葛亮一出祁山的失败，不但诸葛亮经过多年精心准备发动的一出祁山的战略构想遭受重大挫折，同时也使得曹魏政权从此加强了对陇右及凉州地区的防御力度，使得诸葛亮在以后数次发动的北伐均失去了突然性。因此在街亭之战之后，兵败街亭的马谡就成为了众矢之的。而最终诸葛亮诛杀马谡的做法也引起了巨大的争议。
马谡，字幼常，是蜀汉重臣马良的弟弟，襄阳郡宜城人氏，兄弟五人皆有才名。刘备占据荆州之时马谡和其兄马良一起被刘备召为州府从事并随刘备一起入蜀征战，先后担任绵竹、成都令，越隽太守。史书上说马谡才气过人，好谈论军事，诸葛亮非常器重其在军事计谋方面的才能，常常引见谈论，从白天直到深夜，并委以重任。虽然先主刘备临终之时曾告诉诸葛亮：马谡此人言过其实，不可重用，但诸葛亮一直不以为意。由此可见，诸葛亮对马谡的信任和器重在当时的蜀汉是有目共睹的。那么，马谡到底又做过些什么事情让诸葛亮对他信任有加呢？史书只记载了一件事情：诸葛亮南征时，马谡曾献计：
南中地区依仗地势偏僻和险要，长期以来一直与朝廷作对。就算暂时将叛军打败，不久之后依然会死灰复燃。如今我朝的重心是放在北伐中原之上，他们知道朝廷内部空虚，叛乱的进程会逐渐加快。假如毫不留情地将其消灭以绝后患，非但不是仁义之举，也并非仓促之间可以办到的。为今之计只有十六个字：攻心为上，攻城为下；心战为上，兵战为下。这样才能达到一劳永逸的结果。
马谡提出的民族政策，是具有相当高的战略眼光的。诸葛亮采用了马谡的主张，因此在击败孟获之后采用了怀柔的方式将其释放，从此之后南中地区的形势才得到根本性的好转。从这个角度看，诸葛亮对其信任和器重是有一定道理的。而就在诸葛亮作出诛杀马谡的决定之后，蜀汉十万大军闻讯后也为之垂涕，这也可以看出马谡在蜀汉军队中还是具有一定声望的。诸葛亮的心腹之一——蒋琬曾经直言不讳地在诸葛亮面前夸赞马谡是蜀汉的能臣，这也代表了蜀汉政府的高级官员对马谡的评价。马谡的能力毋庸置疑，而其人长于军事谋略而短于现场指挥也是不争的事实，兵败被杀也算是罪有应得。但对于马谡的死，诸葛亮也负有不可推卸的责任。诸葛亮看好马谡，认为他是人才并委以重任，这并没有错。诸葛亮的错误在于没有看清楚马谡这个人才并非是文武全才，而有着很明显的局限性：担任绵竹、成都令，越隽太守之类的地方行政长官也许很在行，担任帐前参军，出谋划策也许眼光独到，但未必就能阵前杀敌，攻营拔寨。在对马谡的培养上，诸葛亮“每引见谈论，自昼达夜”，反复观察；在信任方面，诸葛亮也可以说是用人不疑；可偏偏就在使用上，忽略了取其长处，或者说是根本没有发现马谡的不足之处，将马谡这个人才用错了地方，为了让马谡这个很少或者从来没有上过战场披坚执锐、攻城拔寨的心腹爱将尽快成长，得到锻炼，立下战功而服众，错误地派马谡亲临前线去镇守街亭，并希望其能凯旋而归，以事实证明自己决定和判断的正确性。很显然，诸葛亮对马谡的认识和了解是不全面的，以至于到最后事与愿违，不得不来了个挥泪斩马谡。
尽管诸葛亮的第一次北伐以失败告终，但他也得到了一个意外的收获：在凉州地区颇有威望的年轻将领姜维归顺了蜀汉，在诸葛亮的悉心培养之下，姜维也逐渐成为诸葛亮的心腹。
建兴六年（公元228年）年底，诸葛亮在得知曹魏集结大军在江东地区与孙权展开激战、关中地区兵力空虚之际，发兵数万由故道经散关向曹魏的西北重镇陈仓发动奇袭。原本负责曹魏西北防务的名将张合此时已率兵东下增援江东战场，取而代之的是曹魏大将军曹真。曹真早在诸葛亮出兵之前就已经将陈仓作为未来两国交锋的战场，因此他事前已经安排大将郝昭在此镇守。郝昭到任之后，对城内的防御工事进行了一番精心的部署，因此在诸葛亮大军兵临城下之时，郝昭不慌不忙，沉着应战。开战之前，诸葛亮两次派出郝昭的故旧靳祥前往城中招降，均遭到郝昭的断然拒绝。于是，一场力量悬殊的战事在陈仓城下开始了。一方是拥兵数万的攻方诸葛亮，一方是仅有千余兵马的守方郝昭，但战事的进展却完全出乎众人的预料。
攻城开始之后，诸葛亮大军以云梯、冲车强攻陈仓，郝昭则以火箭焚烧云梯，以石磨击毁冲车，将诸葛亮的第一波攻势击退；诸葛亮眼看攻城不力，又制造了井阑并利用井阑射箭压制郝昭，同时搬运大量的泥土填平城外的城堑并攀城而上展开进攻，而郝昭以在城中加筑重墙进行防御；后来诸葛亮又想出了挖掘地道进入陈仓的计策，结果也被郝昭识破，郝昭命人在城中挖沟进行拦堵。一场原本力量相差悬殊的战争竟然打成了平手。双方鏖战了二十多天，诸葛亮未能跨进陈仓半步。此时诸葛亮大军粮草将尽，加上得知曹魏多路大军正向陈仓紧急驰援，无奈之下，诸葛亮只得率部退回汉中。在撤退的途中，诸葛亮设计斩杀了前来追击的曹魏将领王双，总算是为这场仓促发动并毫无进展的第二次北伐增添了一抹亮色。
建兴七年（公元229年）春，诸葛亮发动了第三次北伐，此次北伐吸取了前两次的教训，仅以邻近汉中地区的武都和阴平两郡作为目标，目的是打开北伐大军由祁山进攻陇右的通道，并关闭进入汉中的入口。
第三次北伐开始之后，诸葛亮派将军陈式为先锋，率一队人马进攻武都。曹魏雍州刺史郭淮闻讯救援。诸葛亮旋即以主力迅速进攻建威，拉出一副切断郭淮后路的架势。郭淮见势不妙，立即后撤，武都、阴平两郡孤立无援，从此被纳入了蜀汉版图。此次北伐目标有限，加之战事时间短暂，曹魏增援不及，故而取得了全胜。
建兴九年（公元231年）二月，诸葛亮在经过两年时间精心准备之后，终于发动了第四次北伐。在出征的同时，诸葛亮还利用了自己多年研究发明出来的“木牛”作为军粮运输工具，以解决长期以来困扰蜀军的粮草供应缓慢的问题，准备与曹魏军队展开长期的较量。不过此时诸葛亮所面临的对手已经不是之前的曹真，而是在曹魏军界享有盛誉的司马懿。
战争开始之初，诸葛亮以大将王平一部攻打祁山，自己则亲率魏延、吴班等将领以主力迎战司马懿。双方在上圭以东地区不期而遇，司马懿采取了据险坚守的策略，并不与诸葛亮展开决战。曹魏将领纷纷嘲笑司马懿的避战战术，并多次向司马懿请战。无奈之下，司马懿只得领兵出战。同年五月，双方在卤城地区展开激战，诸葛亮大获全胜，斩杀魏兵三千余人，缴获军用物资无数。此战过后，魏军终日坚守，再也不与诸葛亮发生重大战事。而就在此时，从汉中传来了后主刘禅要求诸葛亮撤军的消息，同时军队的粮草供应再度出现紧张，诸葛亮只得引兵回撤汉中。在退军途中，诸葛亮巧设计谋，终于将曹魏名将张合斩杀，取得了第四次北伐战事中的最为辉煌的胜利。
不过，当诸葛亮回到汉中之后才发现，所谓后主刘禅要求自己撤军的消息居然是假的。传达这个所谓“旨意”的人居然是当年被刘备委以重任、与诸葛亮一起辅佐刘禅的托孤之臣——李严。当时的李严被诸葛亮调往汉中专门负责北伐大军的粮草供应，而李严因为粮草供应出现问题，竟然想出了假传圣旨的花招来欺骗诸葛亮，造成了第四次北伐战争的无功而返，这让诸葛亮非常愤怒。不久之后，诸葛亮上书后主刘禅，罢免了李严的职务。在完成了蜀汉内部这次重大人员调整之后，诸葛亮再次将自己的重心放在了北伐大计之上。三年之后，诸葛亮发动了第五次北伐。然而，这一次的北伐却成为诸葛亮五十四年人生的终点。
建兴十二年（公元234年）春，诸葛亮调集十万大军开始了第五次北伐。诸葛亮以魏延为先锋，兵出斜谷口，同年四月到达渭南地区并在渭水南岸的五丈原扎营。对手司马懿仍然像上次一样避而不战，双方在渭水僵持了一百多天，这让诸葛亮非常焦虑。为了引诱司马懿出战，诸葛亮派人给司马懿送去了一套女人的衣服和首饰，想借此激怒司马懿，没想到司马懿依然不为所动，坚守不出。为了安抚手下将领，司马懿还借口请示魏明帝曹睿，向曹睿上书请战。不久之后，曹睿即派辛毗为军师来到前线。得到这个消息之后，诸葛亮对于司马懿坚守不出的战略已经是无可奈何了。
同年八月，诸葛亮终于在五丈原病倒。得知诸葛亮病重的消息之后，后主刘禅派遣尚书仆射李福前来问候，而此时诸葛亮的病情已经加重。
当李福询问其继任人选时，诸葛亮先后提出了蒋琬和费祎两人。不过当李福再次询问蒋琬和费祎之后的人选时，诸葛亮已经不再作答了。不久之后，诸葛亮就在五丈原的蜀军军营病逝，终年五十四岁。
唐朝着名诗人杜甫曾经在《蜀相》一诗中饱含深情地写道：“出师未捷身先死，长使英雄泪满襟。”这是对诸葛亮一生伟大人格的高度赞扬。
诸葛亮秉承自己在“隆中对”中提出的北伐中原、统一全国的战略目标，对内稳定蜀汉朝政、发展经济、富国强兵，对外积极与东吴建立同盟，共同抵御强大的曹魏集团，并在蜀汉政权的中期多次发动北伐战争，虽然最终没能实现其政治理想，但已经体现出一位杰出政治家的独特风采。
不过就其军事成就而言，诸葛亮并不是一位了不起的军事家。终其一生，诸葛亮在数十年的军旅生涯之中取得的胜绩寥寥可数，其后期所发动的数次北伐基本无功而返，其间还出现了重大失误，导致原本就国力薄弱的蜀汉在其死后愈发衰弱，并成为三国中最早灭亡的王朝。
陈寿在《三国志·蜀书·诸葛亮传》中提道：“诸葛亮堪称是治国的良才，可以和管仲、萧何这样的名相相提并论。但他连年兴师动众却无法实现北伐的成功，究其根由，估计是因为随机应变和用兵谋略并不是诸葛亮的特长吧！”尽管陈寿的这番评论对于众多诸葛亮的粉丝而言有些刺耳，但从诸葛亮一生的谋略及其成就来看，这个评论还是非常中肯的。