在第二次出军北伐失利撤返汉中后，蜀军几乎未曾休整，诸葛亮就接着于建兴七年（公元229年）春天迫不及待地发动了第三次北伐曹魏的战争。
这次北伐，诸葛亮鉴前两次北伐功亏一篑，采取了就近进攻魏属武都（今甘肃成县）、阴平（今甘肃文县）二郡的策略，他任将军陈式率前军先行，自己亲率大军继后，作为策应。
蜀军前锋进至武都后，曹魏雍州刺史郭淮急忙率军前来增援，不料诸葛亮率领蜀军主力突然潜师疾进至建威（今甘肃成县以西），郭淮害怕自己的后路被截断，于是卷旗退走，蜀军开始攻城，几乎没费多大劲就轻易攻占武都、阴平二郡。
攻取二郡后，诸葛亮对武都、阴平的防务作了妥善部署，并对当地的羌、氐部落进行安抚，待一切安排妥当后，诸葛亮率大军返回汉中。捷报传回成都后，后主刘禅立即下诏撤销处分（第一次出祁山失利后，诸葛亮曾上疏请求自贬三级 ）、恢复诸葛亮的丞相职位。
据《三国志·蜀书·诸葛亮传》记载，刘禅的诏书内容如下：
“街亭之役，咎由马谡，而君引愆（罪过），深自贬抑，重违君意，听顺所守。前年耀师，馘斩王双；今岁爰征，郭淮遁走；降集氐、羌，兴复二郡，威震凶暴，功勋显然。方今天下骚扰，元恶未枭，君受大任，干国之重，而久自挹损，非所以光扬洪烈矣。今复君丞相，君其勿辞”。
刘禅把失街亭之责全部归咎于马谡，说诸葛亮乃“干国之重（国之重臣）”，如果长期不能恢复他的丞相职位，会给蜀汉政局带来不利影响。如今光复二郡，官复原职，正当其时。
诸葛亮第三次北伐不像前两次那样徒劳无功，但虽然夺取了两郡，却又暴露出蜀军后勤保障工作的一些老大难问题。据记载，当蜀军围攻武都时，魏军将一些树杈、木桩（军事术语叫“鹿角”）插在路上作障碍物，以阻止、迟滞蜀军的进攻。而蜀军用刀斧斫砍、拔除魏军设置的鹿角时，因刀斧质量差，一天就卷刃、损坏了千余把。诸葛亮断定刀斧质量低劣，完全是制作武器的主管人不负责任造成的，于是将其逮捕治罪，并特地下了一道教令，把武器质量与军事胜败问题联系起来，这绝非小事，马虎不得。遂另换主管严厉督造，匠师制作数百把刀斧，使用了一百多天依旧锋利，且无一损坏。诸葛亮庆幸地说，在进攻武都时，幸亏曹魏援军怕被断后路，已经逃跑，否则，蜀军将无趁手的刀斧可用；他还说，如果以质量很差的武器临敌作战，必败，还将会破坏整个军事计划。从此事可以看出，诸葛亮心细如发，对包括后勤在内的军事工作之方方面面，都考虑得细致周到，不敢稍有疏忽。
由于在一年多点的时间内诸葛亮便三伐曹魏，兵员和作战物资亟待补充，军队也需要休整，因而诸葛亮率主力大军从武都撤返汉中后，进行了两年多的休整和训练，并对汉中的防务作了精心调整与周密部署。
蜀汉建兴七年（229）秋， 魏大司马曹真建议魏明帝曹睿对西蜀在军事上由被动防御转为主动进攻，派大军数路攻蜀。魏明帝采纳了曹真的建议，命大司马曹真率军出斜谷南进，大将张郃率军从子午谷发起攻击，大将军司马懿率军自西城出发向西推进，可谓精锐尽出，声势浩大。
由于早已加强了汉中防务，诸葛亮对曹魏发起的大举进攻胸有成竹，毫不慌乱。
诸葛亮亲自统军屯驻在城固赤坂（今陕西洋县），以逸待劳，同时命中都护李严率两万生力军 ，从蜀中驰援汉中。
这时，在曹魏内部以陈群、华歆为首的部分大臣，反对出军伐蜀。他们认为蜀道艰难，难以进退，向前线转运粮草更是困难异常，取胜不易，当今要务是稳定内部，安抚百姓，是所谓“先留心于治道，以征伐为后事” ，对急于通过战争拓展战略生存空间的西蜀应继续采取守势 ，以等待局势发生有利于我方的变化。魏明帝曹睿委决不下，有些犹豫。
正在争论不休时，进攻蜀汉边境的魏军，遭遇到了非常不利的天气状况，汉中一带连降大雨，河水盆溢，道路泥泞，阻塞不通，大军行进非常困难。
当年9月，魏明帝下令曹真、司马懿、张郃撤军。
魏军进攻汉中遇到了糟糕天气，无功而返，而诸葛亮却有所收获。原来，在战事初起时，为了牵制魏军的进攻，诸葛亮一面排兵布阵，进行积极的防御，一面派骁将魏延率精锐西进陇右。魏延开至陇右后，结好当地羌人 ，并率部阻截曹魏后将军费瑶、郭淮所率的军队，双方大战于阳溪（今甘肃 武山），是役蜀军斩获无数，大获全胜。
这次胜利为诸葛亮再出祁山攻伐曹魏奠定了很好的基础。事后，诸葛亮上表为魏延请功，请后主刘禅擢升魏延为前军师、征西大将军，并晋封南郑侯。
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