北伐曹魏，统一全国，是诸葛亮早就定下的奋斗目标。与东吴恢复联盟关系，平定南方的叛乱，内部也较为安定的局面给诸葛亮的北伐计划提供了良好的条件。

建兴四年（226年）五月，曹丕病死，太子曹睿继位，谥父丕为文皇帝，其余的文武官僚，都有封赠。当时雍州、凉州两地缺乏人守，司马懿上奏自请到西凉等处防守，曹睿允许了他的请求，便封司马懿督导提督雍州、凉州等地的兵马。

建兴五年（227年），诸葛亮率大军离开成都，向北进军，伺机而动。之前，诸葛亮任命郭攸之、董允、费袆等为侍中，负责宫中的事，并且又派将军向宠总督御林军马。他自己则率领了赵云、邓芝、魏延、吴壹、向朗、杨仪、马谡等大将和近十万大军北伐。临行之际，他上表后主。这就是享誉古今的《前出师表》。

先帝创业未半而中道崩殂。今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。

宫中府中，俱为一体，陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理，不宜偏私，使内外异法也。

侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下。愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。

将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰能，是以众议举宠为督。愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。

亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之信之，则汉室之隆，可计日而待也。

臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。

先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明，故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。

愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效则治臣之罪，以告先帝之灵。若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎。陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。臣不胜受恩感激。

今当远离，临表涕零，不知所言。

诸葛亮在表中坦率地指出了在魏、蜀、吴三国相争中，蜀国所处的不利局面，希望刘禅能积极进取，奋发图强，完成统一大业。

由于北伐的缘故，蜀国的军政中心也移往汉中，有半数以上的官员和将士都驻守在此。从这时候起，诸葛亮在此指挥作战，直到他死时为止，恰好在此地驻守了八年。在这八年之中，他先后带着大军向魏军攻击六次。

建兴六年（228年）春，诸葛亮为稳妥起见，没有采纳大将魏延从近处偷袭长安的作战方案，而是用声东击西的策略。他扬言要由斜谷出兵攻打郿城（陕西郿县），并派赵云、邓芝两将率一军故布疑阵，实施障眼法。然后他却率领主力大军前往攻击祁山。祁山是攻取长安的军事要点，诸葛亮抱着志在必得的决心。不久，祁山就被这支军纪严明的部队轻松地攻取了。祁山附近的三郡：天水（甘肃渭川）、安定（镇原）、南安（陇西东北）也都相继归顺诸葛亮。

刘备逝世后，蜀国一直在整顿内部，接着又平定南方，很久没有与魏国相争了。魏国渐渐对蜀国疏于防备。诸葛亮占领祁山后，汉明帝曹睿慌了，他亲自到长安，命令张郃率领大军前往攻击诸葛亮，同时又派曹真率兵前往支援郿城对抗赵云、邓芝。

诸葛亮在祁山听到魏军大举反攻时，算到魏军将领张郃一定会前去进攻街亭。因为街亭是蜀军运送粮草的必经之路，如果街亭被占，无疑是断了蜀军的咽喉之路。

诸葛亮决定派参军马谡守街亭。诸葛亮再三嘱咐马谡，街亭的地势非常重要，如果失掉街亭，我军必败。并给他指出作战方法，让他在靠山近水的地方安营扎寨，千万谨慎小心，不得有误。马谡非常自信，他得意扬扬地说：“我自幼熟读兵书，深知兵法，哪有不能防守这个小地方的道理?”这时，有许多部将都反对让马谡去防守街亭，因为他平时过于自负。诸葛亮不顾众人的反对，执意决定让马谡作为先锋，前往街亭防守。

马谡来到街亭后，巡视了一番，对诸葛亮让他防守这里不屑一顾。他暗想，丞相实在是过于多虑了，这么偏僻的地方，魏军不可能来攻击。部下王平看到马谡并没有做任何部署，就劝他赶快到山下布阵。

马谡不以为然地说：“哪用得着去山下布阵？你没看到前面有一座孤山吗，这正是上天赐给我们的屏障，我们只要在那山上驻扎就万无一失了。兵法说：‘凭高视下，势如破竹’。”

王平说：“参军如此想就错了，那座山前无进路，后无退路，万一魏军在山下团团包围，断了我们的水源，我们就无力反抗了。请您按照丞相吩咐，依山傍水，巧布精兵。”

马谡不仅不听劝阻，反而嘲笑说：“马谡通晓兵法，世人皆知，连丞相有时还得请教于我，而你王平生长戎旅，手不能书，知何兵法?置死地而后生，这是兵家常识，我将大军布于山上，使之绝无反顾，这正是致胜之秘诀。”王平再次劝阻，马谡不再理会他，径自将大军布于山上。

张郃进军街亭，侦察到马谡舍水上山，心中大喜，立即挥兵切断水源，掐断粮道，将马谡部队围困于山上，然后纵火烧山。蜀军饥渴难忍，军心涣散，不战自乱。马谡乘着混乱，迅速逃走。

此时，据守在箕谷的赵云、邓芝也被曹真攻打得有点招架不住，但是赵云及时把军用仓库所在地，赤崖以北的栈道全部烧毁，使魏军无法继续追击。同时他极力保护军备，没有造成太重大的损失。

诸葛亮非常懊悔当初没有听从刘备不可重用马谡的劝告，后又不顾众将的反对执意命马谡守街亭，才导致这样不可弥补的损失。现在按照军法，也不得不处死马谡。

临刑前，诸葛亮流着眼泪对他说：“我屡次嘱咐你，街亭是我们胜败的关键，要全力防守，你却自以为精通兵法，不听劝阻。如今军败将亡，这全是你一人之过。今天我如果不杀你，又怎么能平服众人的怒气？”

说完，便命左右侍卫将他拖出斩首，马谡嚎啕大哭道：“丞相待我如子，我也视丞相为父，如今我是死有余辜，但愿丞相能像宽厚待我一样，多照顾我家中的妇孺。”

诸葛亮对马谡说：“我和你情同手足，你的孩子便是我的孩子，你不必再多说了。”

左右侍卫将马谡推出辕门，正准备要落刀时，参军蒋琬恰从成都赶到，看到这种情形，忙命刀下留人，马上晋见诸葛亮说：“春秋晋楚相争的时候，楚国杀了兵败的大将得臣，正中晋文公的下怀。如今天下还未平定，就杀掉马谡这种人才，不是很可惜吗？”

诸葛亮流着泪回答说：“从前孙武所以能够制胜于天下，是因为军律严明的缘故。现在四海纷争，正要开始作战，如果不严申军令，如何能够服众呢？”

这时，侍从禀告已将马谡斩首，诸葛亮听后大哭不已，蒋琬问道：“马谡既然罪有应得，丞相又为何如此伤心呢？”

诸葛亮说：“我并不是为马谡而伤心，我只是想起先帝在白帝城病危时曾提醒我，马谡这个人言过其实，不能重用。今日果然应验了先帝的看法，我追思先帝的圣明，懊悔不已！”

诸葛亮斩了马谡后，同时擢升王平为参军，统领南夷五部“飞军”之兵。

赵云、邓芝的部队也在箕谷战败，因为赵云退兵时仍有部队在后面坚守，所以损失不大，但也因此被贬为镇军将军。诸葛亮问邓芝道：“街亭失利，大军败退，兵将不可收拾，但是箕谷战败部队撤退，兵将依然齐整如初，是什么原因呢？”邓芝说：“赵云亲自在部队后面拒敌，军需物资一点都没有抛弃，兵将没有缘由散乱。”

赵云有军资和剩余的绢帛，诸葛亮想将其用来分给将士，赵云说：“军事上没有胜利，为什么要有赏赐，这些物资请全部存入赤岸库，等到十月用作冬季犒劳品。”诸葛亮很赞同这个意见。

司马懿一直是诸葛亮北伐的大患，由于之前魏国连连战败，曹睿命司马懿带兵与蜀军相抗。诸葛亮听闻这个消息后，又加上街亭失守，命大军退回汉中，第一次北伐不得不暂停。