第一次北伐
１子午谷之計
228年春天，蜀軍準備好北伐。
督前部、領丞相司馬、涼州刺史魏延提出子午谷之計，據魏略記載：魏延建議由其率精兵五千，負糧五千，直從褒中出，循秦嶺而東，當子午而北，不過十日可進軍至長安。鎮守長安的魏國安西將軍夏侯楙怯而無謀，「聞延奄至，必乘船逃走」，長安唾手可得。魏國聚集軍隊「尚二十許日」，諸葛亮大軍可趁機「從斜谷來，必足以達」。如此便可一舉平定長安以西。
但諸葛亮認為此計不安定的因素太多，未必能如此順利，一旦失利將陷於進退維谷之地，最終諸葛亮選擇了「安從坦道，可以平取隴右，十全必克而無虞」，確立了先攻佔隴右作為進攻跳板的戰略。
於是諸葛亮派鎮東將軍趙雲、揚武將軍鄧芝率一支軍馬作為疑兵，由箕谷擺出要由斜谷道北攻郿城的形勢，以吸引魏軍。魏明帝曹睿乃命曹真都督關右諸軍，前往抵禦趙雲。諸葛亮則親率主力趁勢向祁山發起進攻。
２首戰告捷
由於魏國事先毫無防備，突聞諸葛亮提兵三十萬(實際蜀漢才8萬兵馬)殺來，導致隴右的南安、天水和安定三郡無力抵抗，天水、南安太守甚至棄守城向東逃竄，魏國天水守將姜維、梁緒、尹賞、上官雝等投降諸葛亮，雍州刺史郭淮則退往上邽固守待援。頃刻間隴右五郡(隴西、南安、天水、廣魏和安定)有三郡投降了諸葛亮，僅有廣魏郡和隴西郡拒不投降。隴西郡太守游楚堅決抵抗。曹魏整個朝廷「朝野恐懼」。
３失守街亭
正當諸葛亮率領蜀軍一路凱歌高唱，將要兵過渭水，軍臨長安之際。遠在洛陽的魏明帝曹睿急率大軍救援，親自到長安坐鎮，派大將軍曹真督軍至郿縣防禦趙雲，張郃率軍五萬前往抵抗諸葛亮，曹魏涼州刺史徐邈也遣參軍與金城太守率軍進攻南安郡。
諸葛亮知道張郃乃是魏之著名將領，此番率軍前來必定來取蜀軍咽喉之地街亭。諸葛亮正欲派將鎮守街亭時，忽聞參軍馬謖請命，要領一軍往蜀軍咽喉要道~街亭把守。諸葛亮起初不准，但無奈馬謖數次請命和立下軍令狀。
馬謖是諸葛亮的心腹，諸葛亮恐馬謖有失、街亭失守。再三叮囑將街亭對蜀軍的重要性和鎮守街亭的部署告訴馬謖，並要求馬謖到街亭後立刻描繪街亭的山川地理圖本以及安營紮寨的位置。諸葛亮又派大將王平作為馬謖的副將，協助馬謖鎮守街亭。為了以防萬一諸葛亮命令高翔率領一支軍隊屯駐在臨渭以北、街亭以左的列柳城接應馬謖。又命魏延率領一軍在街亭之右的山谷之中接應馬謖。
不出諸葛亮所料，張郃果然率領大軍來取街亭。可是馬謖根本不遵循出兵前諸葛亮安排的部署，也不顧副將王平的勸說。執意將大軍屯兵於一座孤山上，不在當道險要之處下寨。以至於被張郃率將包圍在山上。
張郃派人，切斷蜀軍水源。蜀軍因為缺水而陷入內亂，馬謖棄軍逃亡。張郃乘勢進攻，蜀軍大敗，街亭失守。
只有王平領著千人，鳴鼓自守。而張郃又疑蜀軍有伏兵，不作追擊。於是王平集合分散的軍隊，向諸葛亮大軍處撤退。身處列柳城的高翔軍隊又被郭淮攻破。魏延被張郃堵在山谷之中，前進不得。高翔與魏延為避免陷入被包圍的境地，於是都各自退軍。同時，趙雲在箕谷也出兵不利。街亭失守，蜀軍喪失了全部有利形勢。諸葛亮取西縣千餘家，後引兵退回漢中。
與攻佔長安問鼎中原只有一步之遙的第一次北伐就此宣告失敗!魏國也將防禦重點由原來的東吳轉移至蜀漢。以至於後來諸葛亮的四次率軍北伐，形勢更加困難險峻。
４揮淚斬馬謖
戮謖以謝眾。上疏曰：「臣以弱才，叨竊非據，親秉旄鉞以厲三軍，不能訓章明法，臨事而懼，至有街亭違命之闕，箕谷不戒之失，咎皆在臣授任無方。臣明不知人，恤事多闇，春秋責帥，臣職是當。請自貶三等，以督厥咎。」於是以亮為右將軍，行丞相事，所總統如前。
回到漢中，諸葛亮把臨陣逃脫、棄士兵於不顧的馬謖收獄。
諸葛亮雖感可惜，但為嚴肅法度，便斬殺掉馬謖、張休及李盛，還奪取了黃襲等人之兵權;陳壽(三國誌的作者)之父是馬謖的參軍，因不勸導馬謖被處以髡刑;丞相參軍、安漢將軍李邈為馬謖求情，被調回成都。
王平卻因有作進諫而被提拔。諸葛亮自己仍上書自貶三等，並作了自我批評，劉禪接納，但仍命諸葛亮以右將軍行丞相事。
趙雲亦貶為鎮軍將軍，但被諸葛亮大嘉讚賞他守衛之功。後來，有人曾勸諸葛亮再北伐，但諸葛亮認為要更訓練士卒，令他們忘了失敗之事，才可再行。
曹真和張郃在蜀軍撤出後，快速將天水、南安、安定三郡平定，曹真又認為蜀軍今番進攻祁山失敗，斜谷道又被趙雲燒燬和大水沖蝕，下次該會以陳倉作目標，便派將軍郝昭、王生等與千餘人屯兵陳倉。
第二次北伐
228年冬天，曹魏將領曹休在石亭被東吳將領陸遜打敗，諸葛亮聽說魏軍大舉東進，關中兵力空虛。
於是諸葛亮寫信給其兄諸葛瑾言到：「有綏陽小谷，雖山崖絕險，水縱橫，難用行軍，昔邏候往來要道通入。今使前軍斫治此道，以向陳倉，足以攀連賊勢，使不得分兵東行者也。」
於是諸葛亮出兵散關，包圍陳倉。不過郝昭已築陳倉城防備。
諸葛亮曾派郝昭同鄉靳詳於城外數次遊說郝昭投降，但郝昭堅決拒絕了。諸葛亮便揮軍進攻陳倉城。蜀軍沒有以大軍進攻，而是先用雲梯、沖車攻城，郝昭便用火箭射雲梯，當雲梯燃燒時，梯上的人便被燒傷，又以繩綁著石磨，掉下城牆，壓毀沖車。諸葛亮便轉用井闌在百尺外向城中射箭，掩護士兵用土填平護城河，想直接攀城，郝昭於是建起內牆，令井闌失效。諸葛亮又挖地道，想突襲城中，郝昭又在城內挖下橫壕溝，擋下地道。
由於曹魏已經事先在陳倉做好了充足準備，加上陳倉地勢險要，易守難攻，相方激戰二十餘日未有勝負。曹真派費耀等率軍來救，魏明帝也召張郃前往迎擊諸葛亮。此時蜀軍糧草不繼，又聞訊魏援軍快到，只好再退回漢中。在退師途中，成功殺死前來追擊的魏將王雙。
第三次北伐
229年春天，諸葛亮遣陳式(一說陳戒)進攻武都、陰平。
曹魏大將郭淮領兵來救，諸葛亮率軍駐紮建威，牽制郭淮。魏軍知道蜀軍主力到臨，便緊急撤退，蜀軍順利佔領二郡。
諸葛亮安撫了當地的氐人、羌人，然後留兵據守，自己率軍回漢中。因成功奪取二郡，劉禪再次恢復諸葛亮為丞相。至冬天，諸葛亮徙府營至南山下的平原，建築漢、樂二城，加強漢中防守。
曹魏反擊
230年七月，曹魏想轉守為攻，大司馬曹真上表伐蜀議案，但司空陳群認為斜谷太險阻，難以進退，於是曹真率主力軍改為由子午道進發;大將軍司馬懿率軍從漢水而上，欲與曹真軍會師漢中;張郃從褒斜道進兵，直指漢中。諸葛亮知道魏軍來攻後，立即加強城固、赤阪等要地的防守，要求李嚴率二萬人趕赴漢中阻擊敵人，表李嚴子李豐為江州都督，防衛後方。
曹軍的前鋒夏侯霸先大軍一步，進至興勢，在曲折的谷中下營。被蜀地百姓看到，指示蜀軍攻擊，夏侯霸在鹿角間戰鬥，最後援軍到達，夏侯霸才得以解圍。因蜀地艱險，期間遇上下了三十天的大雨，棧道斷絕，曹真用了一個月，才走了一半路程。在朝中，華歆、楊阜、王肅都上疏勸魏明帝下詔撤軍，至九月，三路大軍受詔撤退。同年，諸葛亮派魏延、吳壹入南安，魏延攻破郭淮，吳壹攻破費瑤(通假字，同費曜)，最終取得了防守反擊的勝利 。
第四次北伐
１再戰祁山
231年春天，諸葛亮再次進行北伐，以木牛運糧，包圍祁山。又招攬鮮卑人軻比能，軻比能起兵到石城響應蜀軍。因曹魏大將曹真病重，曹睿改派司馬懿為統帥屯於長安，領張郃、費曜、戴陵、郭淮等人抵抗。
司馬懿先派費曜、戴陵與四千精兵前往上邽防守，自己則率其他兵力解救祁山。張郃則認為該分兵駐守雍、郿，但司馬懿認為若分軍不及合軍有利，便向西推進。
諸葛亮知道後，留下王平繼續領軍攻打祁山，自己率主力迎戰司馬懿。其後諸葛亮在上邽打敗了魏將郭淮、費曜，並收割了魏軍的麥糧，與司馬懿軍在上邽之東遇上，司馬懿深知蜀軍勞師遠襲，糧食補給困難，因而憑險堅守，拒不出戰，諸葛亮便回軍鹵城。
司馬懿進軍鹵城，但卻登山掘營，與蜀軍對峙，不與交戰。張郃認為蜀軍從遠來攻，「孤軍食少」，必定想要速戰速決。所以應該以大軍屯於此處，然後分為奇兵，包抄蜀軍，截斷其後路。但司馬懿不採納。
司馬懿派張郃攻南圍的王平，由案中道進逼蜀軍。自己則率眾迎擊諸葛亮。
諸葛亮派大將魏延、高翔、吳班分三路領兵作戰，大敗魏軍。
光斬獲魏軍低級軍官的首級就有三千多人，獲得戰利品玄鎧五千、角弩三千多。
司馬懿一生唯一一次與諸葛亮的正面交鋒以慘敗告終，從此司馬懿再不敢輕易出戰。魏軍將領數次請戰，司馬懿都不准，諸將十分不滿，便譏笑他：「公畏蜀如虎，奈天下笑何!」。
２伏擊木門道
六月，諸葛亮眼見糧草接應不上，而又收到後主劉禪下令北伐軍撤退的聖旨，諸葛亮只有引軍退回。司馬懿命令張郃追擊蜀軍，張郃認為「圍師必闕，歸師勿遏」。眼見張郃不贊同追擊未被打敗而主動撤退的蜀軍。司馬懿卻強行堅持要張郃領兵追擊，張郃無奈前往追擊。最後於木門道，被埋伏於高處的蜀軍射中右膝，傷重病逝。
３貶黜李嚴
第四次北伐之前，諸葛亮派李嚴督糧草時，怕出問題，於是給他三種選擇，叫他便宜行事：「上計斷其後道。中計與之持久。下計還住黃土。」
後來，李嚴怕糧運不濟，就派馬忠、成藩傳喻旨要諸葛亮撤軍。諸葛亮回來後，反而問他：「軍糧饒足，何以便歸?」另一方面李嚴又向劉禪上表：「軍偽退，欲以誘賊與戰」 ，欺騙劉禪說這是策略，又想推卸責任給岑述。
諸葛亮經過調查，將李嚴的手書先後比對，發現前後不符，李嚴亦無話可說，被貶為庶人。
第五次北伐
１揮師渭水
234年春天，諸葛亮經過三年勸農講武的準備，在斜谷口再率十萬大軍出斜谷口，同時派使臣到東吳，希望孫權能同時攻魏。
四月，蜀軍到達郿縣，在渭水南岸的五丈原下紮營寨。司馬懿則率領魏軍背水築營，想再次以持久戰消耗蜀軍糧食，令蜀軍自行撤退。
魏將郭淮認為蜀軍必會爭奪北原，司馬懿認同，便派郭淮先前往防備。果然，蜀軍到來，但被郭淮擊退。諸葛亮考慮到前幾次北伐都因為運糧不繼，導致功敗垂成，於是開始在渭、濱的居民之間屯田生產糧食，百姓亦相安無事，一切如常。
而孫權也響應蜀漢，親率十萬大軍北上攻魏，但被魏明帝曹睿親自率軍打敗。
一次，諸葛亮派虎步監孟琰駐武功水北，適逢水漲，阻斷了諸葛亮和孟琰的聯繫。司馬懿趁機出兵進攻孟琰。結果諸葛亮一方面派工兵架橋，一方面派弩兵向司馬懿的部隊射箭。司馬懿看到橋快架好，只好撤退了。
魏、蜀兩軍相峙了百多日，其間諸葛亮多次派人挑戰，司馬懿軍始終堅守不出。其後諸葛亮故意讓人帶一套女人的衣服、頭巾送給司馬懿，表示司馬懿就像女人一樣。
魏軍將領見此情形都火冒三丈，紛紛要求出戰，為了搪塞將領們的要求，司馬懿假意上表給魏明帝請戰。曹睿便派衛尉辛毗為軍師，到前線節制司馬懿。
諸葛亮明白「將在外，君命有所不受」，這只是做樣而已。而司馬懿卻從諸葛亮派出的下戰使者口中探得諸葛亮事事親力親為，食少事繁多，認為諸葛亮活不了多久。
２星落秋風五丈原
八月，諸葛亮果然因積勞成疾而病倒，病情日益惡化。
司馬懿趁諸葛亮病重不能統軍，於是親自率軍襲擊蜀軍後方，斬五百餘人，獲牲口千餘頭，降者六百餘人。諸葛亮病重的消息傳到成都，劉禪派李福去探望諸葛亮，並詢問此後國家大計。諸葛亮也對各將領交代後事，要楊儀和費禕統領各軍撤退。由魏延、姜維負責斷後。
不久，諸葛亮在軍營中與世長辭。而楊儀、姜維按照諸葛亮臨終的部署，秘不發喪，整頓軍馬從容撤退。司馬懿認為諸葛亮已死，率軍追擊，姜維推出雕刻成諸葛亮模樣的木雕並率領大軍回返，司馬懿看到諸葛亮(木雕)，認為諸葛亮裝死引誘魏軍出擊，趕緊飛馬撤退，奔行數里，司馬懿數次問左右將領：「吾頭尚在否」?眾將俱回：「尚在」。
司馬懿不敢再追趕。於是蜀軍從容退去，進入斜谷後，才訃告發喪，而此事後來也被百姓為之諺曰：『死諸葛走生仲達』， 司馬懿聽聞蜀軍在斜谷發喪後自嘲道：「吾便料生，不便料死故也。」其後，司馬懿視察蜀軍遺留的營寨，歎曰：亮真天下奇才也。