诸葛亮得知魏将曹休被吴国大都督陆逊败于石亭（今安徽怀宁、柚城之间），魏军东调，关中空虚后，再一次乘机出兵攻魏。十一月，他第二次北伐，率军复出关。围陈仓这一次他的目标较第一次接近曹魏战略要地。本来，乘虚而动的要诀是快，却遭到魏将郝昭的顽强抵抗，相持十几天，竟然毫无办法。郝昭的固守为曹魏军队提供了充足的部署时间。不久，东线战事缓解，曹真率大军赶来陈仓前线。诸葛亮军粮巳尽，相持于自己不利，于是退军。第二次北伐再次无功而返。
魏将王双见诸葛亮退走，率队乘势追击。他料想诸葛亮一定是吓破了胆才撤退的，满以为自己这一追，蜀汉军队自然是全线溃退，再不济也能捞点便宵。不曾想正中回马一枪，被诸葛亮的大军团团围住，不但没捞着，还送掉了自己的小命。229年，诸葛亮再度出击，派陈式攻武都（今甘肃成县西北八阴平，今甘肃文县西北）这一回，进展相当顺利。不多久武都、阴平两城皆下。蜀汉赢得与雍、凉交通的战略要地。一击而成，诸葛亮终于获得初次北伐以来的第一场胜利。
曹魏雍州刺史郭淮对武都、阴平之失很不服气，要一举夺回，为此他率大军进击陈式。诸葛亮针锋相对，率中一力出至建威（今过肃西和县北），郭淮不敢与之争锋，退回防守。武都、阴平两地稳稳叫人蜀汉。这次出军也算达到了战略目的。231年二月，在蜀汉军资储备略显丰富之后，诸葛亮率大军复出祁山，闻向陇右。这一回他遇到了夙敌司马懿，司马懿坚持曾魏方面既定战略，恃险拒守，坚不出战。诸葛亮数次挑战，司马懿帐下将士按捺不住要出战，司马懿为平息众人，故意脱衣远送洛阳求战，以拖延时间。诸葛亮心知其意，却也无可奈何。六月，蜀汉军队粮草耗尽，只得主动退军。撤退时，诱杀曹魏大将张合。234年，经过长期休整后，诸葛亮集中10万兵力，准备第六次北伐。临行，他派全泽为使前往东吴，约孙权同时出兵攻魏。孙权同意，于是诸葛亮率大军待出，以木牛流马运粮。从进展来看，他是要与曹魏在西线大打一场持久战，占据五丈原后，他分兵屯田，作长久之计。五文原在今陕西岐山县城南约20公里处，高120余米，面积约有12平方公里。形势险要，可攻可守。在这一带屯田，显然可起到良好作用，战争过程中蜀汉一方没有为粮食问题困扰。五月，吴国亦应约，一路出武，进攻曹魏，以配合蜀汉军队在西线的攻势。不过，东吴出兵只是做做样子，曹睿采取西守东攻战略，孙权也没有坚持对魏作战，虚晃一枪以后便全线后撤了。
诸葛亮与老对手司马懿依渭水对阵。同上一场战争一样，司马懿采取防守策略，双方仍然没有进行大的决战。两军对峙，苦无战机，诸葛亮只得将重点放在屯田与发展渭滨居民丄，以此做长期打算。同年八月，诸葛亮终因积劳成疾，一病不起，长逝于五丈原军中，时年54岁，就几次北伐来看，这一次虽无功可言，却是最可能达到诸葛亮战略目的的一次。在防御、屯田与争取民众三方面都取得效果，假之以时诸葛亮至少应该能在陇山至关中一线有所作为。只可惜出师未徒身先死，诸葛大限巳致，蜀汉全军没了主心骨，只能遗憾地退军。