诸葛亮接受遗命后，第一件事就是恢复与东吴的联盟，继续抗击曹魏。这是关乎全局战略的重大决策。自夷陵之战以来，荆州的归属问题已经基本确定，吴蜀之间的矛盾逐渐缓和，而两国与曹魏的对立则日益加剧，尤其是吴魏之间爆发了激烈战争，吴国损失了五万多兵力，激起了全民的愤怒。

公元223年夏，诸葛亮派邓芝前往东吴，提出在承认吴蜀两国疆土现状的基础上重新结盟。邓芝不仅才智过人，而且口才了得，他巧妙地与孙权阐述了吴蜀联手的巨大意义，强调两国合作可以共同抗曹，独立发展。孙权对这种提议非常高兴，认为两国重新结盟，将是吴蜀强盛的开端。

事实上，孙权在夷陵之战后曾有过与蜀汉和解的意向，邓芝的到来更是促成了这一愿望的实现。孙权对此表示极高的评价，认为如果要恢复吴蜀联盟，只有邓芝这位大使能够做到。此后，吴蜀之间的关系愈加亲密，南方的动乱也得以缓解。诸葛亮将国家政务交给了郭攸之、费祎等人，而自己则全心投入到军队的整备中。

经过一年多的筹备，诸葛亮于227年亲自带领大军进驻汉中沔阳（今陕西勉县东），准备向魏国发起进攻。

228年春，诸葛亮开始了第一次北伐。他采用了声东击西的策略，声称要从斜谷道（今陕西眉县西南的古道）进攻，但实际上他转向祁山（今甘肃礼县）。魏国大将曹真轻信了蜀军的假行动，集中兵力防守斜谷，结果被诸葛亮引诱，蜀军主力突然出现在祁山。此时，南安、天水、安定等地纷纷反魏归汉，整个关中地区震动。魏明帝曹睿不得不亲自前往长安镇守，并派遣张郃率领五万大军前来增援。

张郃与蜀汉前锋马谡在街亭（今甘肃庄浪东南）发生激战，马谡虽然才智过人，但缺乏实际作战经验，错误地将军队驻扎在易守难攻的南山。裨将王平多次劝阻，但马谡不听，最终导致蜀军被魏军围困，陷入困境。虽然王平部成功救援，但蜀军仍然遭遇了惨败。马谡因此被处决，诸葛亮为了维护军纪，也自请降职。这一事件成了“挥泪斩马谡”的历史佳话。

公元228年冬，诸葛亮发起了第二次北伐。虽然在围攻陈仓时遇到粮草不足，最终不得不撤退，但在撤退过程中，诸葛亮成功击退魏军的追击，并斩杀了魏将王双，展现了他的军事才能。

229年，诸葛亮进行第三次北伐，这次的进攻成功占领了武都和阴平两郡，并击退了魏国的雍州刺史郭准。战后，诸葛亮被恢复了丞相职务。

到了230年秋，魏明帝曹睿为了阻止蜀汉的进攻，派遣司马懿、张郃等人分三路进攻汉中。面对大雨和路况恶劣，魏军未能顺利进军，只好撤退。此时，诸葛亮派魏延西入羌中，对魏军的雍州刺史郭淮等人发起进攻，取得了大胜。

231年，诸葛亮进行了第五次北伐，使用木牛流马车来运输粮草。面对魏军的强大防守，诸葛亮最终打败了魏将郭淮和费曜。魏军指挥官司马懿虽尝试出战，但在张郃阵亡后不得不退守，蜀军也因粮草耗尽而撤退。

234年春，诸葛亮发起了第六次北伐，这次他选择了兵出斜谷，并继续使用木牛流马车保障粮草供应。然而，司马懿始终坚持防守，双方在五丈原（今陕西眉县西南）对峙了超过百天。最终，由于过度疲惫，诸葛亮因病去世，享年54岁。临终时，他留下遗命葬于定军山，蜀军随即撤退，司马懿也未敢追击。此后，民间流传着“死诸葛吓走生仲达”的传说，意思是诸葛亮虽死，但其威名仍令敌人心生敬畏。

司马懿在巡查诸葛亮的营地时，见到一切井然有序，深感敬佩，叹服道：“这真是天下的奇才！”