至章武三年二月，刘备病重，召诸葛亮到永安，与李严一起托付后事，刘备对诸葛亮说：“你的才能是曹丕的十倍，必定能够安顿国家，终可成就大事。如果嗣子（刘禅）可以辅助，便辅助他；如果他没有才干，你可以自行取度。”
诸葛亮涕泣地说：“臣必定竭尽股肱的力量，报效忠贞的节气，直到死为止！”刘备又要刘禅视诸葛亮为父。
延至四月，刘备逝世，刘禅继位，封诸葛亮为武乡侯，开设官府办公。
不久，再领益州牧，政事上的大小事务，刘禅都依赖于诸葛亮，由诸葛亮决定。本来南中地区因刘备逝世而乘机叛乱，诸葛亮因国家刚逝去君主，先不发兵，而派邓芝及陈震赴东吴修好。
建兴三年春天，诸葛亮率军南征，临行前刘禅赐诸葛亮金鈇钺一具，曲盖一个，前后羽葆鼓吹各一部，虎贲六十人。后诸葛亮深入不毛之地讨伐雍闿、孟获，诸葛亮采取参军马谡的建议，以攻心为主，先打败雍闿军，再七擒七纵孟获，至秋天平定所有乱事。
蜀汉在南中安定并获得大量的资源，并且组建了无当飞军这支劲旅。经过长期积累，有了北伐的基础。
建兴六年春，诸葛亮事先扬声走斜谷道取郿，让赵云、邓芝设疑兵吸引曹真重兵，自己率大军攻祁山。陇右的南安、天水和安定三郡反魏附蜀，关中震响。魏明帝西镇长安，命张郃率领步骑五万人前往，大破马谡于街亭。而同时赵云寡不敌众，失利于箕谷。诸葛亮乃拔西县千余家返回汉中。第一次北伐失败。
同年冬，诸葛亮趁魏兵东下，关中虚弱，趁机北伐，出兵散关围陈仓，为魏将郝昭所拒，诸葛亮劝降不成，而又粮草不继，不得已退还汉中。魏将王双来追，被斩。
建兴七年春，诸葛亮遣陈式攻武都、阴平二郡。雍州刺史郭淮引兵救之，亮自出至建威，郭淮退，遂得二郡。
建兴八年秋，魏军三路进攻汉中，司马懿走西城，张郃走子午谷，曹真走斜谷。诸葛亮驻军于城固、赤坂。时大雨三十余天，魏军撤退。同年，诸葛亮使魏延、吴懿西入羌中，大破魏后将军费曜、雍州刺史郭淮于阳溪。
建兴九年二月，诸葛亮率大军攻祁山，始以木牛运。时曹真病重，司马懿都督关中诸将出拒。诸葛亮割麦于上邽。司马懿追亮至卤城，掘营自守，有“畏蜀如畏虎”之讥。
据《汉晋春秋》记载，同年五月，诸葛亮使魏延、高翔、吴班赴拒，大破司马懿，汉军获甲首三千级，玄铠五千领，角弩三千一百张，于是司马懿退还保营。该史料后被《资治通鉴》引用。
《晋书》则记魏军卸甲轻装，日夜兼程，在汉阳与诸葛亮相遇，司马懿派将军牛金率轻骑做饵，诸葛亮退兵至祁山，屯兵卤城，据南北二山，堵水筑围墙。魏军攻破，大破蜀军，俘获斩首数万。而陈寿所著《三国志》里，两种说法均无记载。
六月，李严因运粮不济呼诸葛亮还师。张郃追亮退兵至木门，中箭身亡——此为二出祁山。
建兴十二年二月，诸葛亮率大军出斜谷道，据武功五丈原，屯田于渭滨，与司马懿对於渭南，并约吴国共同发兵。期间诸葛亮既屡屡遣使者下战书，又致巾帼妇人之饰，以激怒司马懿，但司马懿忍辱据守不出，并以“千里请战”的妙计平息将怒。
司马懿曾向蜀汉使者询问诸葛亮的睡眠、饮食和办事多少，不打听军事情况，使者答道：“诸葛公早起晚睡，凡是二十杖以上的责罚，都亲自披阅；所吃的饭食不到几升。”
司马懿告诉人说：“诸葛孔明进食少而事务烦，他还能活多久呢！”
诸葛亮乃分兵屯田，在魏国境内与魏国百姓共同种粮自给自足，打算长期驻扎下去，但诸葛亮却因过于操劳而病重。
刘禅派遣尚书仆射李福前来问候，同时询问国家大事。李福来到，诸葛亮谈话完毕，辞别而去，几天之后又回来。
诸葛亮说：“我知道您返回来的意图，近来虽然整天谈话，有些事还没有交待，又来听取决定了。你所要问的事蒋琬适合。”
李福道歉说：“日前确实不曾询问，如您面年这后，谁可以担负重任，所以就又返回。再请问蒋琬之后，谁可承担重任？”
诸葛亮说：“费可以继任。“
又问费祎之后怎么样？诸葛亮没有回答。
八月，诸葛亮病故于五丈原，享年五十四岁。杨仪等率军还，姜维等遵照诸葛亮遗嘱，秘不发丧，缓缓退军。司马懿率军追击，见蜀汉军帅旗飘扬，孔明羽扇纶巾坐在车里。司马懿怀疑是孔明用计诱敌，赶紧策马收兵，于是便有“死诸葛吓走活仲达”一事。
这六次用兵，出祁山只有两次；第四次是魏军主动进攻，蜀军防守，由于连日大雨，山洪暴发，冲毁栈道，蜀魏并未交战。
大军返回成都后，刘禅追谥诸葛亮为忠武侯。
诸葛亮遗言命令部下将自己葬在汉中定军山，依山势修建坟墓，墓穴仅能容纳下棺材，穿平时的衣服入殓，不必用其他器物殉葬。
诸葛亮归葬定军山勉县的武侯墓。诸葛亮曾经上表指出自己没有多余财产，只有800株桑树和15顷土地，而自己穿的都是朝廷赐封，就算儿子都是自给自足，自己没有一点多余的财产。
果然，诸葛亮直至死时也是如此，甚至在临死前，也吩咐了他下葬时只需要挖洞一个，棺木能够放进去便足够，自己则穿着平常的服装即可，不须要其他配葬物。
蜀汉各地多上书请立诸葛亮庙，蜀汉朝堂以此违背礼制不纳，于是百姓在四时的节日于道路上私祭诸葛亮。直至景耀六年，在习隆、向充的建议下，刘禅在沔阳为诸葛亮立庙。
诸葛亮死后30年，司马昭派遣邓艾、钟会伐蜀。他的长子诸葛瞻和长孙诸葛尚一起在绵竹之战中战死沙场