诸葛亮恢复与吴联盟、平定南中后，就准备北伐曹魏。 第一次北伐在蜀汉建兴六年(228年)春，他令赵云等作疑兵，摆出由斜谷(今陕西眉县南)攻郿城(今眉县北)的态势，以吸引魏军;自己则率主力向祁山(今甘肃西和县祁山堡)方向进攻，陇右的天水、南安、安定等郡相继叛魏降蜀，又收服了姜维，一时关中大震。可是马谡违背诸葛亮部署，为张郃所败，丢了街亭;赵云等出兵也不利，诸葛亮只得退回汉中。 不久，天水、南安、安定三郡又叛汉附魏。
第二次北伐是同年冬，诸葛亮乘陆逊在石亭打败曹休之机，出散关，包围陈仓(今陕西宝鸡西南)，攻打二十多天未破，魏的援军赶到，他不得已又退回汉中。 第三次北伐是建兴七年，亮进攻武都(今甘肃成县)、阴平(今甘肃文县西北)，打败魏援军，占了这两郡，留兵据守，自己率部回师。次年，魏军进攻汉中，诸葛亮加强防守，又增调援军，再由于连续大雨，子午谷、斜谷等道路不通，魏军撤退。
第四次北伐是建兴九年，蜀军包围祁山，魏军统帅司马懿迎击，诸葛亮准备决战。司马懿知蜀军远来，军粮不多，凭险坚守，拒不出战。诸葛亮想用退兵的办法引诱敌人，但司马懿追赶很谨慎，蜀军一停，他就扎营拒守。此时李严假传刘禅要求退兵的圣旨，加上蜀军粮草将尽，诸葛亮只得班师，在归途中以伏兵杀了魏国名将张郃。
第五次北伐是十二年春，诸葛亮率十万大军出斜谷口，到达郿县，在渭水南岸五丈原扎营。司马懿也筑营阻拦，不与蜀军作战，料知蜀军远来，粮草运输困难，想把蜀军拖垮。诸葛亮也有准备，在渭水分兵屯田，作长期战争的打算。诸葛亮在这次出兵前曾与孙权约定同时攻魏，五月吴军十万攻魏，不胜，撤回江东，所以蜀军只得与魏军单方面周旋。八月间诸葛亮积劳成疾，病情日益严重，不久就与世长辞。死后，姜维等遵照他的遗嘱，秘不发丧，整军退入斜谷。 诸葛亮出师北伐共为五次，真正出兵祁山只有二次;还有一次是魏军进攻汉中，不是诸葛亮出击。后世概而言之，说成是六出祁山。