公元223年，蜀汉开国皇帝刘备去世，其子刘禅继位。刘禅封诸葛亮为武乡侯，事无巨细，均由诸葛亮决断。此时，荆州已经丧失，蜀汉国土骤然减半；夷陵之战的惨败使蜀汉机动主力军团惨被全歼；开国皇帝刘备的驾崩，更使国内政治形势陷入风雨飘摇的危局之中。面临这一前所未有的严峻困境，诸葛亮首要解决的难题，就是南中的叛乱。南中，古称西南夷，辖境相当今四川大渡河以南和云南、贵州两省。公元223年，雍、孟获等人起兵反叛。诸葛亮因为遭逢国丧，不便加兵，于第二年春，关闭了通往南中的灵关，用了一年多时间，进行朝廷的权力交接和南征准备。
公元225年，诸葛亮率领大军南征，军事征剿与攻心战术并用，很快就平息了南中叛乱，消灭了雍、朱褒、高定等汉族分裂势力，降伏了以孟获为代表的当地豪强大姓。战后，诸葛亮把南中四郡划为七郡，以南征将领李恢、马忠、吕凯等任太守；然后把孟获等人调往蜀中做官，承认当地部族首领的权力，实行民族自治。同时，诸葛亮还令南中出人出物支援北伐。
南中平定后，北伐魏国提上了日程，诸葛亮开始全面进行北伐准备。在外交上，诸葛亮派使者联吴；政治上，他高度集中军政大权，笼络土著地主，调动全国力量准备战争；经济上，他与民休息，大力发展农业，多产粮食，增加储备，保护水利工程，发展煮盐、织锦等手工业，扩大财政来源。
公元227年春，魏文帝曹丕去世，明帝曹即位。诸葛亮知道这是千载难逢的机会，就向后主刘禅上了历史上著名的《出师表》，然后率军北驻汉中，进入临战准备。次年，诸葛亮以声东击西之计，令镇军将军赵云、扬武将军邓芝率偏师前据汉中之箕谷，扬言由斜谷进攻，吸引和牵制关中魏军；诸葛亮率主力出汉中西北，进攻祁山，夺取陇右。听说诸葛亮出军，魏明帝急忙任命大将军曹真都督关右，迎战赵云；以左将军张率领步骑兵5万为前锋，前往陇右迎战诸葛亮。
诸葛亮大军迅速攻占祁山、西县，这时只要守住由关入陇的咽喉要地——街亭，就能把战略要地陇右夺到手中。诸葛亮以参军马谡率领众军为前锋，扼守街亭，自己坐镇西县，指挥全军。马谡奉命占领街亭后，仅令部将高翔驻守旧城护卫水源，主力不据险守城，反而舍水上山，驻在街亭南山上。魏将张看破蜀军弱点后，切断了南山水源，造成蜀汉军断水，然后魏军发起进攻，大破马谡。魏国援军占领街亭，进入陇右，诸葛亮丧失以强胜弱的战机，只好迁徙百姓千余户退回汉中。
第一次北伐之后，诸葛亮又先后三次北伐中原，可都因为军事实力弱于魏国，后勤补给不及，全部无功而返。公元233年冬，诸葛亮令各军把粮食运至临近魏境的斜谷口，在该处修建仓库储存。公元234年初，诸葛亮经过三年准备，集中在汉中的10万大军北伐，用木牛流马运粮。四月，诸葛亮率军沿褒斜道出斜谷进入陇东，在渭水南筑垒，进行他人生中的最后一次北伐。行前诸葛亮约吴国同时大举攻魏，以分散魏军兵力。魏国大将司马懿认为渭南为百姓屯田积聚所在，是必争之地，于是率军渡过渭水，背水筑垒，同诸葛亮对峙。
在两军相持中，诸葛亮鉴于前几次北伐都是因为粮草不继，使作战意图不能实现，于是决心在敌境分兵屯田，作长期驻屯打算。司马懿以逸待劳，坚壁不战，蜀、魏两军相持一百多天。在相持中，诸葛亮早起晚睡，忙于军务，每天吃饭不多，病势加重。司马懿见到蜀汉使者，不问军事，只问诸葛亮生活起居和工作多寡。得知详情后，司马懿大笑着对属下说：“诸葛亮身体垮了，还能长久吗？”
当年八月，诸葛亮在军中逝世，这位毕生为兴复汉室而努力的蜀汉丞相，壮志未酬，享年54岁。蜀汉军秘不发丧，整军退兵回国。司马懿闻讯追击，蜀军举旗击鼓，佯装反击，司马懿收军，不敢进逼。诸葛亮的去世使蜀汉丧失了咄咄逼人的攻势，此后的姜维北伐，由于数次都选择偏远的陇西出兵，无论是规模还是影响力都远远不如诸葛亮。同时魏国伐汉中的失败，也说明了此时的魏国尚不具备打破两弱抗一强这一南北战略僵局的能力。不过随着北方经济的日益增长，以及蜀、吴的进一步政治衰落，统一的曙光已经不远了。
