诸葛亮的一生共两个二十七年。公元207年以前的二十七年，是他修身养性立志用世的准备阶段。他学有所成后没有北走曹操，也没有南归孙权，而是辅佐了“名微众寡”的刘备，这固然有客观原田，但也并非出于偶然。他之所以要选择兴复汉室的道路，说明他是一个维护封建纲常、崇尚儒家忠义道德的正统思想家。公元207年到234年的二十七年，是谙葛亮尽忠蜀汉的阶段。无论先主、后主都非常信任他。他没有恪守儒家教条，他尊王而不攘夷，进兵南中，和抚夷越，在三国中执行了最好的民族政策。他明法、正身、和吴、治军，以“鞠躬尽瘁，死而后已”的无私奉献精神战斗到生命的最后一息。他的忠公体国精神，生前就深受蜀人爱戴，死后更长期受到后人的敬仰，已成为中华民族传统文化的一份遗产。
章武三年(223)春，刘备在永安病危，召诸葛亮瞩托后事说：「君才十倍于曹丕，必能安国，终定大事。若嗣子可辅助，便给以辅助;若其不才，您可取而代之。」诸葛亮忙哭道：「臣必竭心尽力相辅，效忠贞之节，死而后已!」后主即位，诸葛亮受封武乡侯，建立丞相府以处理日常事务，又兼任益州牧。当时，全国的军、政、财，事无大小，皆由诸葛亮决定。诸葛亮执政后，首先要办的第一件大事是恢复与东吴的外交关系。刘备死后，东吴一方面继续向魏称臣，一方面尚未拿定主意怎样对蜀，仍陈大军于蜀的边境。诸葛亮派尚书邓芝出使东吴，说服孙权与蜀联合，与魏断绝关系。
当时，南中诸郡在刘备东伐之时，受东吴策动而叛乱，严重威胁蜀汉后庭。诸葛亮执政后，与东吴恢复邦交，切断了南中的外援。经过两年调养，诸葛亮上书后主，决心平定南中叛乱。建兴三年(225)春，诸葛亮率大军兵分三路征伐南中。在此次战争中，诸葛亮对叛军首领孟获采用攻心战术，七擒七纵，使其心悦诚服。平叛战斗结束后，诸葛亮吸取「众建诸侯分其力」的经验，将南中四郡分为六郡，叛乱中心建宁郡被分得最细，起用大量土著大姓为官吏，达到不留军队、不运粮草，又能治理该地的目的;征调南中「青羌」万余家入蜀，以其青壮组成骑兵五部，号称「飞军」：设立庲降都督，掌管南中军政。该年十二月，诸葛亮率军回到成都。
建兴五年(227)三月，诸葛亮上《出师表》于后主，率军至汉中，准备北伐。他先在汉中练兵约一年，然后北攻。魏南安(治甘肃陇西)、天水、安定(治甘肃济川)三郡当即降蜀。魏明帝亲赴长安督战，以曹真督关右诸军，采用以防守为主的战略。蜀军先扬言要由斜谷道攻取郿县，并使赵云、邓芝率一军据箕谷(今陕西褒城西北)为疑军，诸葛亮率主力西攻祁山。参军马谡领一军为先锋，驻街亭。马谡挥不当，大败于魏军，丢失街亭。蜀军失去前进的据点，只好退回汉中(正史并无「空城计」退司马懿军之说)。诸葛亮挥泪斩马谡，上书自贬三级，以右将军身分行丞相之职。
建兴六年(228)冬，魏军三路攻吴，关中空虚。诸葛亮再次率军北伐。蜀军此次出大散关，围攻陈仓二十余日不下，粮尽而退。建兴七年(229)，诸葛亮第三次率军北伐。蜀军西向，取魏武都、阴平二郡而回。诸葛亮复任丞相。
在这一时期，诸葛亮与李严的矛盾为引人关注的焦点。本来，他们两人同受刘备托孤，共为辅臣。直到建兴四年(226)，两人关系还比较好，诸葛亮在与孟达的信中环称赞李严。但不久，李严写信给诸葛亮，建议利用掌握朝政大权的便利，像曹操那样进爵封王，接受「九锡」，这样他也能捞到若干好处。诸葛亮对此非常生气，在回信中狠狠批评了李严一通。不久，诸葛亮在即将伐魏前，调李严带他所辖的二万军队来镇守汉中。李严却讨价还价，要诸葛亮从益州东部划出五郡设立江州，让他当江州刺史，致使调动未成。诸葛亮以大局为重，也就妥协了;建兴七年，陈震在出使东吴前，专门找诸葛亮汇报李严的巧诈问题，特别谈到李严早年在家乡为官时的一些劣迹，但没引起诸葛亮的足够重视。建兴八年(230)，曹军欲三路攻蜀，诸葛亮再次要李严带二万军队到汉中坐镇，李严又讨价还价。诸葛亮即做让步，任命其子为江州都督督军，接替李严调走后的工作，李严这才执行调动命令。建兴九年(231)，诸葛亮第四次伐魏，命李严在汉中负责后勤供应，李严未及时筹集到粮草，便写信给诸葛亮说皇上命令退兵。诸葛亮退军后，他又欺骗朝廷说此次退兵是为了诱敌。当诸葛亮回来后，他又故作惊问：「军粮已经够用，为何突然退兵?」于是，诸葛亮在上朝时拿出李严的书信为据，与许多将士一道签名上表，弹劾李严，将他免为庶人，流放到梓潼。
建兴十二年(234)二月，诸葛亮第五次北伐，以大军出斜谷，据五丈原(今陕西岐山县南四十里)。此次出兵，事先与东吴约好同时攻魏。但东吴迟迟不发兵，迄至五月，孙权才派陆逊、诸葛瑾率兵屯江夏、沔口(今湖北汉囗)，进攻襄阳，孙权自己则率大军围合肥新城。对此，魏明帝的策略是先挫败东吴。他亲率水军东征，让西守的司马懿坚守不战，让蜀军粮尽自退。但当孙权得知魏主的意图后，认为己方成了主战场，吃了亏，即令全线撤军。在西线。诸葛亮鉴于以往的教训，分兵屯田，打算久驻。这年八月，诸葛亮突患急病，暴卒于前线，时年五十四岁。蜀军全线撤军。诸葛亮在生前留下遗嘱：「葬于汉中定军山，就在山坡中挖一个坟，坟坑可装下棺材便行了。穿平常的衣服，不随葬器物。」