诸葛亮真正在军事上有所作为，是在他指挥对魏国北伐的战役中。这是检验诸葛亮军事能力最重要的史实，也是古往今来争议最多的焦点。
刘备死后，其子刘禅继位，丞相诸葛亮辅政，掌握了朝中一切大权。为了实现先主恢复汉室的宏愿，诸葛亮亲自率兵数次北伐，与魏国交锋。在《三国演义》中，这一段历史被称作“六出祁山”。但实际上诸葛亮率蜀军多次北伐魏军，路经“祁山”出兵的只有两次。
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诸葛亮率军首次北伐是蜀汉建兴六年(228)。他命令赵云、邓芝等人从斜谷道(渭水支流的河谷)出兵吸引魏军，自己则率大军向祁山方向进攻。这一计策果然奏效，魏国的主力部队被调离后，陇右的天水、南安、安定三郡(今属甘肃)见诸葛亮的大军压境，纷纷投降。
一时关中大震，魏国上下惊恐，魏明帝曹睿连忙派名将张颌前往抵抗。诸葛亮派马谡督军在前，与张颌在街亭交战。只知道“纸上谈兵”的马谡违反了诸葛亮的指示，指挥不当，被张颌打得大败，大好的战局尽失。诸葛亮无奈之下，“挥泪斩马谡”，收兵回师，第一次北伐无功而返。
同年冬天，诸葛亮出兵散关(秦岭北麓)，第二次兴兵北伐。蜀军包围了陈仓(今陕西宝鸡)，魏国大将军曹真率军来救。蜀军粮草用尽撤兵，却被魏国将领王双追击。诸葛亮率军一战，击退敌军，斩杀了王双。此后不久，诸葛亮派将领陈式出兵攻打武都、阴平二郡，魏国将领郭淮救援。诸葛亮闻讯出兵支援陈式，打退郭淮，攻下二郡。
蜀汉建兴九年(231)，诸葛亮再次兴兵北进，兵出祁山，遭遇魏军统帅司马懿的迎击。魏军知道蜀军粮草不多，于是坚守不战。蜀军用“木牛流马”运粮，无奈还是粮草不济，最终退兵。
退兵途中，诸葛亮设计射杀了魏国名将张颌。
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蜀汉建兴十二年(234)，诸葛亮最后一次率兵北伐。蜀军十万出斜谷，在渭水南岸五丈原扎营。魏国司马懿筑营阻拦，诸葛亮也分兵屯田，做长期对峙的打算。双方相持了百余天，到了八月，诸葛亮积劳成疾，不久与世长辞
诸葛亮数次北伐大都无功而返，因此惹来后世很多争议。有人据此认为诸葛亮不善于用兵，一味地穷兵黩武，由此造成了蜀国国力的严重消耗，间接导致了蜀汉的灭亡。《三国志》的作者陈寿也认为诸葛亮不擅长军事，作战过于保守，因此对诸葛亮的评价是：“连年动众，未能成功，盖应变将略，非其所长!”
客观来看，诸葛亮用兵偏重稳妥，习惯步步为营，而不善于出奇兵。史书记载，蜀汉大将魏延跟随诸葛亮北伐，多次向诸葛亮请战，愿仿照汉初韩信的故事，带一支人马作为奇兵。然而诸葛亮为慎重起见，始终没有采纳。过于求稳使得本已处于弱势的蜀汉局势很难有惊人的逆转，但也不能因此一概否定诸葛亮的军事能力。
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纵观几次北伐，诸葛亮用兵虽未获得实质上的胜利，但也没遭到什么重大损失，这对于保存蜀国仅有的实力是非常重要的。而且从几次与魏国交手的细节来看，诸葛亮总能用计巧取一些优势，或斩杀对方大将，或夺取一两个城池。因此，对诸葛亮军事能力的综合评价应为“合格”，但绝没有千古流传的那么“神乎其神”。