諸葛亮的一生共兩個二十七年。公元207年以前的二十七年，是他修身養性立志用世的準備階段。他學有所成後沒有北走曹操，也沒有南歸孫權，而是輔佐了「名微眾寡」的劉備，這固然有客觀原田，但也並非出於偶然。他之所以要選擇興復漢室的道路，說明他是一個維護封建綱常、崇尚儒家忠義道德的正統思想家。公元207年到234年的二十七年，是諳葛亮盡忠蜀漢的階段。無論先主、後主都非常信任他。他沒有恪守儒家教條，他尊王而不攘夷，進兵南中，和撫夷越，在三國中執行了最好的民族政策。他明法、正身、和吳、治軍，以「鞠躬盡瘁，死而後已」的無私奉獻精神戰鬥到生命的最後一息。他的忠公體國精神，生前就深受蜀人愛戴，死後更長期受到後人的敬仰，已成為中華民族傳統文化的一份遺產。
章武三年(223)春，劉備在永安病危，召諸葛亮矚托後事說：「君才十倍於曹丕，必能安國，終定大事。若嗣子可輔助，便給以輔助;若其不才，您可取而代之。」諸葛亮忙哭道：「臣必竭心盡力相輔，效忠貞之節，死而後已！」後主即位，諸葛亮受封武鄉侯，建立丞相府以處理日常事務，又兼任益州牧。當時，全國的軍、政、財，事無大小，皆由諸葛亮決定。諸葛亮執政後，首先要辦的第一件大事是恢復與東吳的外交關係。劉備死後，東吳一方面繼續向魏稱臣，一方面尚未拿定主意怎樣對蜀，仍陳大軍於蜀的邊境。諸葛亮派尚書鄧芝出使東吳，說服孫權與蜀聯合，與魏斷絕關係。
當時，南中諸郡在劉備東伐之時，受東吳策動而叛亂，嚴重威脅蜀漢後庭。諸葛亮執政後，與東吳恢復邦交，切斷了南中的外援。經過兩年調養，諸葛亮上書後主，決心平定南中叛亂。建興三年(225)春，諸葛亮率大軍兵分三路征伐南中。在此次戰爭中，諸葛亮對叛軍首領孟獲採用攻心戰術，七擒七縱，使其心悅誠服。平叛戰鬥結束後，諸葛亮吸取「眾建諸侯分其力」的經驗，將南中四郡分為六郡，叛亂中心建寧郡被分得最細，起用大量土著大姓為官吏，達到不留軍隊、不運糧草，又能治理該地的目的;徵調南中「青羌」萬餘家入蜀，以其青壯組成騎兵五部，號稱「飛軍」：設立庲降都督，掌管南中軍政。該年十二月，諸葛亮率軍回到成都。
建興五年(227)三月，諸葛亮上《出師表》於後主，率軍至漢中，準備北伐。他先在漢中練兵約一年，然後北攻。魏南安(治甘肅隴西)、天水、安定(治甘肅濟川)三郡當即降蜀。魏明帝親赴長安督戰，以曹真督關右諸軍，採用以防守為主的戰略。蜀軍先揚言要由斜谷道攻取郿縣，並使趙雲、鄧芝率一軍據箕谷(今陝西褒城西北)為疑軍，諸葛亮率主力西攻祁山。參軍馬謖領一軍為先鋒，駐街亭。馬謖揮不當，大敗於魏軍，丟失街亭。蜀軍失去前進的據點，只好退回漢中(正史並無「空城計」退司馬懿軍之說)。諸葛亮揮淚斬馬謖，上書自貶三級，以右將軍身份行丞相之職。
建興六年(228)冬，魏軍三路攻吳，關中空虛。諸葛亮再次率軍北伐。蜀軍此次出大散關，圍攻陳倉二十餘日不下，糧盡而退。建興七年(229)，諸葛亮第三次率軍北伐。蜀軍西向，取魏武都、陰平二郡而回。諸葛亮復任丞相。
在這一時期，諸葛亮與李嚴的矛盾為引人關注的焦點。本來，他們兩人同受劉備托孤，共為輔臣。直到建興四年(226)，兩人關係還比較好，諸葛亮在與孟達的信中環稱讚李嚴。但不久，李嚴寫信給諸葛亮，建議利用掌握朝政大權的便利，像曹操那樣進爵封王，接受「九錫」，這樣他也能撈到若幹好處。諸葛亮對此非常生氣，在回信中狠狠批評了李嚴一通。不久，諸葛亮在即將伐魏前，調李嚴帶他所轄的二萬軍隊來鎮守漢中。李嚴卻討價還價，要諸葛亮從益州東部劃出五郡設立江州，讓他當江州刺史，致使調動未成。諸葛亮以大局為重，也就妥協了;建興七年，陳震在出使東吳前，專門找諸葛亮匯報李嚴的巧詐問題，特別談到李嚴早年在家鄉為官時的一些劣跡，但沒引起諸葛亮的足夠重視。建興八年(230)，曹軍欲三路攻蜀，諸葛亮再次要李嚴帶二萬軍隊到漢中坐鎮，李嚴又討價還價。諸葛亮即做讓步，任命其子為江州都督督軍，接替李嚴調走後的工作，李嚴這才執行調動命令。建興九年(231)，諸葛亮第四次伐魏，命李嚴在漢中負責後勤供應，李嚴未及時籌集到糧草，便寫信給諸葛亮說皇上命令退兵。諸葛亮退軍後，他又欺騙朝廷說此次退兵是為了誘敵。當諸葛亮回來後，他又故作驚問：「軍糧已經夠用，為何突然退兵？」於是，諸葛亮在上朝時拿出李嚴的書信為據，與許多將士一道簽名上表，彈劾李嚴，將他免為庶人，流放到梓潼。
建興十二年(234)二月，諸葛亮第五次北伐，以大軍出斜谷，據五丈原(今陝西岐山縣南四十里)。此次出兵，事先與東吳約好同時攻魏。但東吳遲遲不發兵，迄至五月，孫權才派陸遜、諸葛瑾率兵屯江夏、沔口(今湖北漢囗)，進攻襄陽，孫權自己則率大軍圍合肥新城。對此，魏明帝的策略是先挫敗東吳。他親率水軍東征，讓西守的司馬懿堅守不戰，讓蜀軍糧盡自退。但當孫權得知魏主的意圖後，認為己方成了主戰場，吃了虧，即令全線撤軍。在西線。諸葛亮鑒於以往的教訓，分兵屯田，打算久駐。這年八月，諸葛亮突患急病，暴卒於前線，時年五十四歲。蜀軍全線撤軍。諸葛亮在生前留下遺囑：「葬於漢中定軍山，就在山坡中挖一個墳，墳坑可裝下棺材便行了。穿平常的衣服，不隨葬器物。」