蜀汉在丞相诸葛亮的治理下逐渐得到恢复和发展。南中平定之后，蜀汉不仅稳固了自己的后方，在兵员上也得到了一定的补充。诸葛亮见时机已经成熟，便上奏后主刘禅，开始了兴复汉室的北伐战争。蜀汉的北伐中原之战前后持续了数年之久，其中的功过得失一直是后人争论不休的话题。
《出师表》
平定南中叛乱之后，蜀汉的实力得到了进一步的恢复。在丞相诸葛亮的治理下，蜀汉的经济得到了一定的发展，人民安居乐业，百官用命，兵马齐备。诸葛亮见时机已经成熟，便开始着手实现北伐中原的计划。蜀汉建兴五年（227），兵马集合完毕的诸葛亮给刘禅写了一封请求发兵的奏章，这篇奏章就是闻名后世的《出师表》（一般认为《出师表》分前后两篇，《前出师表》即为通常意义上的《出师表》；《后出师表》的真伪存疑）。
在这篇著名的《出师表》中，诸葛亮言辞恳切，向刘禅阐述了蜀汉当前的形势和自己出兵北伐的意义：“如今天下三分，益州疲弊，真的已经到了危急存亡的时刻。”“我本是一介平民，在南阳种地，只求在乱世中苟且偷生，而不指望能在诸侯前扬名显达。先帝不嫌弃我身份卑微、见识浅薄，降低自己的身份，多次来看望我，向我咨询天下的大事，我对此非常感激，于是答应先帝愿为他奔走效命。后来遭遇失败，我在败军之际得到任用，在危难之间接受使命，从那时到现在已经二十一年了。先帝知道我做事谨慎，因此临终时将国家大事托付给我。自从接受遗命以来，我日夜忧虑叹息，唯恐不能实现先帝的嘱托，有损先帝的知人之明。所以我率军五月渡过泸水，深入不毛之地作战。如今南方已经平定，兵甲已经充足，正应当鼓舞率领三军，北伐中原，贡献自己全部的才能，铲除奸凶，复兴汉室，还都洛阳。这是我用来报答先帝并忠于陛下的职责本分。”
在《出师表》的最后，诸葛亮郑重地对北伐做出了许诺：“希望陛下把讨伐奸贼、复兴汉室的任务托付给我，如果没有完成，就请治我的罪，来告慰先帝在天之灵。”除此之外，诸葛亮还在《出师表》中向刘禅推荐了郭攸之、费祎、董允等一干贤良之臣，希望刘禅能遇事多多向他们征询意见，并且广开言路，发扬先帝刘备的美德，而不要妄自菲薄，言谈不当，以致堵塞忠臣进谏劝告的道路。
一篇洋洋洒洒的《出师表》，言辞恳切，催人泪下，道尽了诸葛亮对于国家的一片赤诚忠心，《出师表》也因此被传为千古美文。南宋大诗人陆游曾有诗赞曰：“《出师》一表真名世，千载谁堪伯仲间？”而南宋谢枋得在《文章轨范》中引用安子顺之说：“读《出师表》不哭者不忠，读《陈情表》不哭者不孝，读《祭十二郎文》不哭者不慈。”
六出祁山
诸葛亮在得到刘禅的应允后，亲率大军开始了北伐之战。在《三国演义》中，这一段历史被称作“六出祁山”，但实际上诸葛亮率蜀军北伐魏军，严格算来的次数只有五次（另一次是魏国进攻，蜀汉抵抗），而其中路经“祁山”出兵的只有两次。
诸葛亮的首次北伐是在蜀汉建兴六年（228）。他命令赵云、邓芝等人从斜谷道（渭水支流的河谷）出兵作为疑兵吸引魏军，自己则率大军向祁山方向进攻。这一计策果然奏效，魏国的主力部队被调离。陇右的天水、南安、定安三郡（今属甘肃）原本只知道蜀汉有个刘备，刘备死后，他们也就放松了警惕。当诸葛亮的蜀汉大军出现在眼前，三郡守将顿时手足无措，纷纷投降，一时关中大震。魏国上下惊恐，魏明帝曹连忙派名将张郃前往抵抗。诸葛亮派马谡督军在前，与张郃在街亭交战。马谡是诸葛亮的亲随谋士，曾在南中平定战中向诸葛亮贡献了“攻心为上，收服人心”的计策，深得诸葛亮信任。但马谡实际上只是个知道“纸上谈兵”之人，他擅自违反诸葛亮的指示，异地扎营，指挥不当，被张郃打得大败，使得大好的战略局面尽失。诸葛亮为正军纪，无奈之下“挥泪斩马谡”，收兵回撤，第一次北伐无功而返。回到汉中后，诸葛亮主动承担失利的责任，检讨自己用人不当，上疏自贬三级官职，以示惩罚。刘禅体谅诸葛亮的难处，同意他的请求，改任诸葛亮为右将军，但使他仍然代理丞相的工作，所统帅的军队也一如既往。
同年冬天，诸葛亮出兵散关（秦岭北麓），第二次兴兵北伐。蜀军包围了陈仓（今陕西宝鸡），魏国大将军曹真率军来救。蜀军粮草用尽撤兵，却被魏国将领王双追击。诸葛亮率军一战，击退敌军，斩杀了王双。
蜀汉建兴七年（229），诸葛亮派大将陈式出兵攻打武都、阴平二郡，魏国雍州刺史郭淮领兵救援，诸葛亮闻讯出兵支援陈式，郭淮退却，蜀国拿下二郡。刘禅下诏嘉奖诸葛亮，令其官复丞相之职。
蜀汉建兴九年（231），诸葛亮再次兴兵北进，兵出祁山，遭遇魏军统帅司马懿的迎击。魏军知道蜀军粮草不多，于是坚守不战。蜀军用“木牛”运粮，诸葛亮任命身边亲信的将军李平（原名李严）督运粮草。时至夏秋之交，道路被雨水冲得泥泞不堪，粮草运输缓慢，前线告急。李平担心诸葛亮怪罪，便假托圣谕，命人招诸葛亮班师回朝。诸葛亮无奈，只得退兵。司马懿命令张郃追击，张郃在木门与诸葛亮交战，诸葛亮设下埋伏，乱箭齐发，张郃膝盖中箭，被蜀军射杀。诸葛亮回到成都面见刘禅，李平为洗脱自己的干系，佯装吃惊地问诸葛亮：“军粮充足，为何退兵？”诸葛亮向刘禅展示了证明李平前后不一的个人信件，李平理亏认罪。诸葛亮念李平曾屡立战功，只将其废为庶人，然而北伐却因此再一次以失败告终。
北伐的功与过
诸葛亮的屡次北伐，大都无功而返，因此惹来后世很多争议。有人依此认为诸葛亮不善用兵，一味地穷兵黩武，由此造成了蜀国国力的严重消耗，间接导致了后来蜀汉的灭亡。《三国志》的作者陈寿也认为诸葛亮不擅长军事，作战过于保守，因此对诸葛亮的评价是“连年动众，未能成功，盖应变将略，非其所长！”
客观来看，诸葛亮用兵偏重稳妥，习惯步步为营，而不善于出奇兵。史书记载，蜀汉大将魏延跟随诸葛亮北伐，他曾向诸葛亮献策，愿仿照汉初韩信的故事，自己带一支人马作为奇兵，顺秦岭向东，孤军深入，十日便可以到达长安。然而诸葛亮认为此计太过冒险，不如稳妥地从大路进兵，为慎重起见，始终没有采纳。
过于求稳使得本已弱势的蜀汉很难有惊人的逆转，但也不能因此一概否定诸葛亮的军事能力。纵观几次北伐，诸葛亮用兵虽未获得实质上的胜利，但也没遭到什么损失，这对于保存蜀国仅有的实力是非常重要的。而且从几次与魏国交手的细节来看，诸葛亮总能用计巧取一些优势，或击杀对方大将，或夺取一两个城池。因此，诸葛亮军事能力虽没有《三国演义》中描述的那么“神乎其神”，但也应该是合格并且算得上出色的。
实际上，诸葛亮北伐无功的主要原因并不在于他的个人能力高低，而在于天时。夷陵之战后，蜀汉实力削弱，而曹魏实力稳中有升，蜀汉在经济、政治、人口、人才等各方面都远远落后于对手。加之地处西南，地势险峻，交通闭塞，从长远发展来看更加无望。诸葛亮屡次兴兵北伐，一定程度上也是为了通过对外战争挽救弱势的蜀国。但他的“鞠躬尽瘁”终归改变不了悬殊的实力对比，北伐中原的大业也只能留下永远的遗憾。
真假“空城计”
在《三国演义》中，“空城计”是一段家喻户晓的情节。诸葛亮城头抚琴，虚实之中吓退司马懿十万大军。然而，真实的历史并非如此，诸葛亮从未使用过“空城计”，这只是《三国演义》为展现其谋略而杜撰的情节罢了。
“空城计”是中国古代战略战术的一项奇谋，不少将领都曾使用过。“空城计”的例子最早可以追溯到春秋时期，到了汉代，“飞将军”李广也曾使用过“空城计”。
在三国历史中，“空城计”的真正使用者是曹操。东汉献帝兴平二年（195年），当时正处在统一北方进程中的曹操率军攻打吕布。吕布纠合万余人袭击大部队被调离的曹操本营，危急时刻，曹操大胆使用“空城计”虚张声势，吓得吕布不敢进攻，而曹操则从容地从后方调回了部队，一举击溃了吕布。
