第一次北伐
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参见：魏延 § 计出子午谷
蜀汉建兴六年（228年）春天，蜀汉军准备好北伐，督前部、镇北将军魏延提出效仿韩信分兵之事，袭取潼关（《魏略》作“子午谷之计”），但诸葛亮不从；魏延在之后的北伐中都提过此建议，均被诸葛亮认为过于冒进而制止。诸葛亮派镇东将军赵云、扬武将军邓芝率军作为疑兵，由箕谷摆出要由斜谷道北攻的形势，以吸引魏军，汉军行动成效，在洛阳的曹叡派出大将军曹真都督关右各军，前往郿防御赵云等人；于是诸葛亮则亲率主力向祁山进攻。
参见：天水之乱
由于当时刘备已经逝世四年多，加上蜀汉数年专注平定西南，没有动静，令曹魏没有防备蜀汉，在曹叡后来班告中亦有提及：“先移风于礼乐，次讲武于农隙，置亮画外，未以为虞。”现在听到诸葛亮北出祁山，朝野都甚为恐惧，陇加更甚，天水、南安、安定三郡相继叛魏，响应汉军[1]，马遵等当地太守各弃郡东走[2][3]。于是诸葛亮包围祁山，准备打下作为北伐前哨。曹魏群臣未能做出对策，曹叡冷静道：“亮阻山为固，今者自来，既合兵书致人之术；且亮贪三郡，知进而不知退，今因此时，破亮必也。”便亲自到长安坐镇。
参见：街亭之战
魏军到来，当时诸葛亮不用宿将魏延、吴懿等为先锋，而是派参军马谡领副将牙门将、裨将军王平到街亭防御张郃，另派高翔屯兵列柳城；另一方面，南安郡人带著汉军攻打陇西，当地太守游楚与吏民策划，先作坚守，若汉军真能攻下西来的魏援则投降也不迟，他于是遣长史马颙出门设阵，自己向来到的汉军说：“卿能断陇，使东兵不上，一月之中，则陇西吏人不攻自服；卿若不能，虚自疲弊耳。”汉军于是退去。
而到达街亭的马谡不遵循诸葛亮的部署，举措烦扰，又不接受王平的劝阻，不在当道之处下寨，反而舍水上山设阵。当张郃到来，他先将汉军包围在山上，又切断水源，再督军大举进攻，汉军大败，马谡逃走，众军各自逃亡，只有王平领著千人，鸣鼓自守，而张郃又疑汉军有伏兵，不作追击，于是王平集合分散的军队，向诸葛亮大军处撤退[4]。街亭失守，驻屯在列柳城的高翔所部又被魏雍州刺史郭淮攻破，汉军失掉有利形势，诸葛亮惟有将西县千多户带至汉中，班师撤退，至于陇西游楚等亦因此成功固守，原本有意投降的祁山守将高刚也没有投降。而赵云、邓芝的疑兵亦在箕谷无法抵御曹真的主力军，赵云便收集士卒倚势固守，将栈道烧毁，所以没有太大的损失。
回到汉中，诸葛亮把临阵逃脱、弃士兵于不顾的马谡收狱，为严守军令，便斩杀马谡、张休及李盛，夺取黄袭等人之兵，王平则因有作进谏而被提拔。诸葛亮亦上书自我检讨，并自贬三等，刘禅接纳，但仍以诸葛亮为右将军行丞相事，赵云亦自请贬为镇军将军，但诸葛亮赞赏他守卫之功。后来，有人曾劝诸葛亮再北伐，但诸葛亮认为要更训练士卒，令他们忘了失败之事，才可再行。曹魏左将军张郃在汉军撤出后，快速将天水、南安、安定三郡平定，大都督曹真认为汉军今番进攻祁山失败，斜谷道又被赵云所部军烧毁和大水冲蚀，判断下次敌军多半会以陈仓作目标，便派将军郝昭、王生等与千馀人屯兵陈仓[5]。
第二次北伐
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参见：陈仓之围
因曹魏大司马曹休在石亭被东吴大都督陆逊打败，诸葛亮得知后趁机再次率军北上，一是料想到关中空虚，二是为东吴减轻曹军的压力。
蜀汉建兴六年（228年）冬天，诸葛亮复出兵散关，不过郝昭已筑陈仓城防备，诸葛亮曾派郝昭同乡靳详于城外数次游说郝昭投降，但郝昭拒绝。诸葛亮便率军包围陈仓。汉军没有以大军进攻，而是先用云梯、冲车攻城，郝昭便用火箭射云梯，当云梯燃烧时，梯上的人便被烧伤，又以绳绑著石磨，掉下城墙，压毁冲车。诸葛亮便转用井阑在百尺外向城中射箭，掩护士兵用土填平护城河，想直接攀城，郝昭于是建起内墙，令井阑失效。诸葛亮又挖地道，想突袭城中，郝昭又在城内挖下横壕沟，挡下地道。双方激战二十馀日未有胜负，曹真派费曜等率军来救，曹叡又派张郃攻诸葛亮，但张郃军未到，诸葛亮已经因粮尽而撤退。在撤退过程中，成功击杀上前来追击的魏将王双[6]。
第三次北伐
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参见：建威之战
229年春天，诸葛亮遣陈式（一说陈戒）进攻武都、阴平两郡，魏雍州刺史郭淮领兵来救，诸葛亮率主力军向建威，牵制郭淮，魏军知道汉军主力到临，便紧急撤退，汉军顺利占领二郡。之后，诸葛亮安抚当地的氐人、羌人，然后留兵据守，自己率军回汉中。因成功夺取二郡，刘禅升诸葛亮回任丞相。至冬天，诸葛亮徙府营至南山下的平原，建筑汉、乐二城，加强汉中防守。
230年六月，曹魏想反客为主，大司马曹真上表伐蜀议案，曹叡认为可行，本来曹真想从斜谷南入，但司空领尚书令陈群认为斜谷太险阻，难以进退，于是曹真率主力军改为由子午道进发；张郃则由斜谷辅攻；大将军司马懿率军由西城进发顺汉水而上，与曹真军会师；雍州刺史郭淮、后将军费曜等从陇右武威进兵，直指汉中。诸葛亮知道魏军来攻后，汉中太守魏延立即加强城固、赤阪等要地的防守，又要求骠骑将军李严率二万人赶赴汉中阻击敌人，表李严子李丰为江州都督，防卫后方，成功阻断魏军攻势。又派镇北将军魏延、关中都督吴懿率军西入羌地，反攻郭淮、费曜等军。
起初，魏军前锋偏将军夏侯霸先大军一步，进至兴势，在曲折的谷中下营被当地百姓看到、通报汉军攻击，夏侯霸在鹿角间战斗，最后援军到达，夏侯霸才得以解围。期间遇到三十天的大雨，栈道断绝，曹真用一个月才走一半路程。在朝中，司徒华歆、少府杨阜、散骑常侍王肃都上疏劝曹叡撤军，至九月，曹真受诏而回，而魏延、吴懿亦成功在阳谿大破郭淮、费曜，最终汉军在逆袭下大破魏军。
第四次北伐
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主条目：祁山之战
231年春天，诸葛亮再次进行北伐，以木牛运粮，包围祁山，又招揽鲜卑人轲比能，轲比能起兵到石城响应汉军。因曹魏大司马曹真病重，曹叡改派大将军司马懿为统帅屯于长安，领征西车骑将军张郃、后将军费曜、征蜀护军戴凌、雍州刺史兼建威将军郭淮等人抵抗。司马懿先派费曜、戴凌与四千精兵前往上邽防守，自己则率其他兵力解救祁山。张郃认为该分兵驻守雍、郿，但司马懿认为己方战斗力不如蜀汉军，若分军容易遭到诸葛亮各个击破，不及合军有利，便向西推进。
诸葛亮知道后留下讨寇将军王平守南围，同时他继续派军攻打祁山，并分兵前去迎战司马懿。诸葛亮在上邽打败魏将郭淮、费曜，并收割魏军的麦粮，与司马懿军在上邽之东遇上，司马懿紧追诸葛亮，却凭险坚守，拒不出战，诸葛亮便回军卤城。张郃认为汉军从远来攻，不如出示活路，他们迟早都会退兵，劝司马懿不要用大军围城，这反而会令敌人坚守，攻不下还会大失民望。但司马懿不接纳，出军围卤城，但却登山掘营，只围不攻，不与汉军战斗。
魏军将领数次请战，司马懿都不准，便讥笑他：“公畏蜀如虎，奈天下笑何！”五月辛巳日（6月27日）[7]，在众将的一再要求下，司马懿只好派张郃攻击南围的王平，自己从中路进逼蜀军主力。王平坚守南围，击退张郃部的进攻，粉碎张郃部袭扰诸葛亮后路的图谋。与此同时，诸葛亮遣魏延、高翔、吴班分三路领兵与司马懿部作战，大破魏军，魏军大败，被斩首三千精锐，《汉晋春秋》称汉军缴获玄铠五千领、角弩三千一百张[8]，司马懿仅能退保大营。《晋书》的记载与《汉晋春秋》矛盾，声称魏军在追击战中大胜，斩俘万计。但是《晋书》回避了张郃之死，而且事后诸葛亮没有像第一次北伐失利后那样自贬，因而《晋书》的此处记载可信度较低。之后司马懿不再出战，两军变为消耗战。蜀汉一方的李严因遇上大雨无法如期运粮，便派狐笃（马忠）、成籓示意诸葛亮撤军。六月，诸葛亮眼见粮草接应不上，惟有引军退回，而司马懿军亦已粮尽。
张郃认为不应追击未被打败的蜀军，但司马懿坚持要张郃领兵追击，张郃无奈推进，结果在木门道被埋伏于高处的无当飞军射中右膝，伤重而死[9]。诸葛亮回师后得知李严试图卸责，想杀岑述作掩饰，又欺骗刘禅称撤军是诱敌的策略，诸葛亮便将李严的前后手书做比对，李严亦无话可说，被贬为庶人。
第五次北伐
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主条目：五丈原之战
两国在渭河两岸对峙
诸葛亮在三年里，劝农讲武，以木牛流马运米粮到斜谷口集积，又住在斜谷邸阁，与民休息，准备再次北伐[10]。终于在234年二月，汉军出斜谷口，同时派使臣到东吴，希望孙权能同时攻魏，孙权答应进攻合肥。四月，汉军到达郿县，大军暂驻渭水南岸，司马懿立即从渭水北岸渡河，背水防守，诸葛亮便在渭水南岸五丈原下扎营寨。
魏将郭淮认为汉军必会争夺渭水北岸北原，司马懿认同，便派郭淮先前往防备。果然汉军到来，但被郭淮击退。诸葛亮明白运粮的问题，开始在渭水边的居民之间屯田生产粮食，百姓亦相安无事，一切如常。
渭水呈东西走向，有一条呈南北走向并向北流入渭水的武功水成为司马懿和诸葛亮争夺的焦点。五丈原位于武功水之西，诸葛亮派遣孟琰占据武功水东岸。司马懿曾于武功水涨水之时试图偷袭武功水东的孟琰所部，但遭诸葛亮搭浮桥以弩兵击退[11]。
魏、汉两军相峙百多日，其后诸葛亮多次派人挑战，司马懿军始终坚守不出。其后诸葛亮故意让人带一套女人的衣服、头巾送给司马懿，表示司马懿就像女人一样。魏军将领见此情形都火冒三丈，纷纷要求出战，为了搪塞将领们的要求，司马懿假意上表给魏明帝请战。曹叡便派卫尉辛毗为军师，到前线节制司马懿。诸葛亮明白“将在军，君命有所不受”，这只是做样而已。
之后诸葛亮派下战使到司马懿军，司马懿只使问诸葛亮寝、食和工作是否劳累，没有提及军事，使说诸葛亮事事亲力亲为，食少事烦，司马懿认为诸葛亮如此活不了多久。果然到了八月，诸葛亮因积劳成疾而病倒，病情日益恶化。消息传到成都，刘禅派李福去探望诸葛亮，并询问以后国家大计和继承人问题。《三国志》载诸葛亮对各将领交代后事，要长史杨仪和司马费祎统领各军撤退，由征西大将军魏延、护军姜维负责断后。《魏略》载为诸葛亮命前军师魏延摄行己事，由魏延负责指挥负责秘密退兵与密持丧之事。（《裴注三国志》作者裴松之认为。称《魏略》所述为“臣松之以为此盖敌国传闻之言，不得与本传争审。”[12]）
不久，诸葛亮在军营中与世长辞。汉军诸将等按照诸葛亮临终的部署，秘不发丧，杨仪整顿军马从容撤退。司马懿得到百姓通知诸葛亮已死，率军追击，姜维令杨仪反旗鸣鼓，回军向魏军做出进击的样子，司马懿赶紧撤退，不敢追赶。[13][14]于是汉军从容退去，进入斜谷后，才讣告发丧。而此事也被魏人当做笑话传开了：“死诸葛吓走生仲达”[15][16]。