最终，在建安二十四年（219年）冬季，吕蒙率领东吴军队，
白衣渡江、斩杀关羽、夺取荆州。“隆中对策”因此而遭受了重大的挫折。
建安二十五年（220年），曹操去世，其子曹丕篡汉自立，
当时蜀中传言称汉献帝刘协为曹丕所害，于是群臣劝已成为汉中王的刘备登基为帝，
刘备开始不答应，诸葛亮就用耿纯游说刘秀登基的故事劝刘备，
刘备同意后，于章武元年四月丙午日（221年5月15日）
在成都武担山登基称帝，国号为“汉”，任诸葛亮为丞相、
录尚书事，假节。同年张飞被害，诸葛亮领司隶校尉一职。
章武元年（221年）七月，刘备为夺回荆州，亲率大军伐吴。
章武二年（222年）闰六月，刘备兵败夷陵（今湖北宜昌）；
八月，刘备撤退至永安。诸葛亮大叹：“可惜法正故去，
否则必能阻止陛下东征之举。”
章武三年（223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。
建兴二年（224年）诸葛亮领益州牧，任命秦宓为别驾、五梁为功曹、杜微为主簿。
当时政事上的大小事务，刘禅都交给诸葛亮决定。
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（225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，十二月班师成都。
蜀汉稳定了南中，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。
建兴四年（226年），魏文帝曹丕死，其子曹叡继位，缺乏统治经验。
诸葛亮抓住有利时机，决定出师北伐。
建兴五年（227年），率军进驻汉中，顿兵沔阳（今陕西勉县）。
建兴六年（228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，
命张合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。
诸葛亮上疏请求自贬三等，蜀后主以诸葛亮为右将军，行丞相事，所总统如前。
同年冬，诸葛亮趁魏兵东下，关中虚弱，趁机北伐，
出兵散关（今陕西省宝鸡市西南）围陈仓（今陕西省宝鸡市东），
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（229年）春，诸葛亮遣陈式攻武都（今甘肃省成县周边）、
阴平（今甘肃省文县周边）二郡。雍州刺史郭淮引兵救之，
亮自出至建威（今甘肃省西和县西），郭淮退，遂得二郡。
建兴八年（230年）秋，魏军三路进攻汉中，
司马懿走西城（今陕西省安康市西北），张合走子午谷，曹真走斜谷。
诸葛亮驻军于城固（今陕西省城固县东）、赤坂（今陕西省洋县东二十里）。
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（瑶）、雍州刺史郭淮于阳溪（南安郡内，
当在今甘肃省武山西南一带）。
建兴九年（231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（今甘肃省天水县）。
司马懿追亮至卤城（今甘肃省天水市与甘谷之间），
掘营自守，有“畏蜀如畏虎”之讥。
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。
《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。
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