连续两次无功而返，诸葛亮痛下决心，全盘检讨自己在战略和战术上运用的得失。
明显地，前两次采取的都是突击战，直攻敌人军事要害。第一次虽然获得相当的成功，但由于深入敌境，补给线不够稳固，在街亭战败后，又有被切断后路之虑，不得不仓促撤军。
第二次因一开始情报判断便有错误，而无法发挥奇兵战术的应有功能。
这两次的失败均在于急于求功。彻底检讨之后，诸葛亮决定采行更务实的方法，先建立进攻的桥头堡，以做搜集情报的中心，缩短战线，使补给不致发生困难，彻底了解敌情后，再作进一步计划。换句话说，诸葛亮有意采取长期战的策略。
前面两次都在于敌方发生剧变，一次是曹丕新逝，另一次是曹休新败，但继承人魏主曹睿表现极佳。在政治上对方已无可乘之隙，现在只有靠己方逐步努力累积的力量了。
建兴七年春天，诸葛亮发动第三次的北伐，这次完全采用近取固本的策略，只要赢取小成绩即可。
进军的目标是祁山之南的武都及阴平，这两个地方都在魏蜀的边界上，虽是军事重镇，却是人迹罕至的地方，离凉州尚有一段距离，即使被攻占了，对曹魏政权来说只是“小皮肤病”而已，应不致有太大的反应。这次的北伐行动，严格来讲，只能算是大赌博中的一场小游戏。
但为了重建两次失败的蜀军士气，诸葛亮仍决定全力以赴。《三国演义》作者夸张这次的战功，描述诸葛亮不但亲自攻陷陈仓，吓死了郝昭，而且在阴平大战司马懿及张郃，取得重大胜利。
这显然是小说家的虚构情节。陈仓和阴平、武都相距数百里，除非坐飞机，否则诸葛亮无法同时处理两边的战局。何况，依史料记载，诸葛亮从未攻陷过陈仓，而且建兴七年的战事中，不要说远在东方的司马懿，连常在西战线的张郃，都未曾到过前线来。诸葛亮所动用的北征大军少之又少，即使经常出任前锋的猛将魏延，这段期间也是留在汉中，重新组训及补足他的大军，并未投入战争。
这次动用的北征军兵力和第二次北伐相同，大约只有两万余兵力。
第一拨，由将军陈式率领（《资治通鉴》上作陈成）由武兴出发，直接攻打武都郡及阴平郡。
第二拨，诸葛亮亲率万余主力部队，暗中西向，随时准备接应陈式。
武都（今甘肃成县）及阴平（今甘肃文县）两郡，当时都属于雍州管辖，因此曹魏的雍州太守郭淮，亲自率军南下，准备狙击陈式的前锋大军。
郭淮字伯济，太原阳曲人。汉中战役时，任夏侯渊大军参谋长，天荡山之战前夕，郭淮重病，未曾参与规划。夏侯渊战死，曹军陷入危急中，郭淮抱病复出，说服大军将领，共同拥立张郃为临时总司令，稳住曹军的士气，也有效地阻断刘备的攻势。因此深得曹操欣赏，赐爵关内侯，迁升为镇西长史。
街亭战役时，郭淮攻占了高详所据守的列柳城，阻断诸葛亮退路，逼得蜀军不得不紧急大撤退，郭淮亦以军功迁升为雍州刺史。
由此可见，郭淮是位智勇双全的将领，并不容易对付。因此，诸葛亮的二拨部署，隐藏主力大军实力，暗中行动，也有他用心之处。
果然郭淮并未发现诸葛亮的主力部队，只全力迎击陈式大军的攻势，双方在武都郡展开数度接触战。
正当郭淮的部队逐渐掌握优势时，诸葛亮的主力军却突然出现在武都西北的建威郡，有可能再出祁山，攻向西县及街亭。郭淮闻讯大惊，没时间详细思考，便下令放弃武都、阴平，即刻退回街亭，重新部署防线。
诸葛亮这次突击行动，不战而吓走郭淮大军。诸葛亮留下陈式大军驻守此地，并对当地少数民族氐、羌做了完善的安抚后，便又收军退回汉中，进行组训军队的工作。从此，武都和阴平正式归入蜀汉政权的版图，并纳入管辖之下。
基于这次成功的战术，后主刘禅立刻下诏，恢复诸葛亮之丞相职位。其诏书内容如下：
街亭战役失败，其实错在马谡，相父却引咎辞职，自请贬为右将军，为了不违背相父自责以明法大义，朕已勉强同意。
但前年，相父再度光耀我汉军荣誉，斩杀魏国名将王双。今年的远征，更逼退郭淮的大军，降服氐、羌族人，光复阴平、武都二郡，威镇四方，功勋显然。
如今天下骚扰未定，罪魁祸首的曹魏政权尚未枭首，相父承受复国大任，是我朝廷最重要的支柱，却长久居于自我委屈的地位，实在不是光扬我军民忠诚爱国精神的好现象。因此，现在便恢复您丞相之职，请勿推辞。
这篇诏书自然事先征求过诸葛亮的同意，因为接获诏书不久，也就是同年的十二月，诸葛亮在南山建立丞相府（四川省南部县），并在汉城（陕西省沔县）和乐城（今陕西省城固县）建立城寨，完全做好长期在前线作战的准备。
但同时，诸葛亮加入刘备军以来仅存的长期战友、蜀汉首席老将赵云病逝。对诸葛亮和后主刘禅而言，这是相当令人伤心的噩耗。
赵云在战场上一向勇猛，能以七十二岁高龄寿终正寝，也算是值得安慰的了。
但在刘备的元老级重臣中，赵云最支持诸葛亮，尤其是他能顾全大局、爱护部属、照顾人民、生活俭朴、从不浪费军资，为武将中的楷模。这位高风亮节、相处二十三年的同事兼老友病逝，自然让诸葛亮深为感伤。
对后主刘禅而言，赵云更是大恩人，前后两次单身救主的功劳，忠诚之心令人怀念。三十二年后，刘禅在追谥刘备时代的元老将领——关羽、张飞、马超、庞统、黄忠之时，也特别对赵云做了追谥。
在姜维等人的建议下，对赵云的一生做了以下的评断：
以云昔从先帝，劳绩既著，经营天下，遵奉法度，功效可书。当阳之役，义贯金石；忠以卫上，君念其赏；礼以厚下，臣忘其死；死者有知，足以不朽；行者感恩，足以殒身。谨按谥法，柔贤慈惠曰顺，执事有班曰平，克定祸乱曰平，应谥云曰顺平侯。
谥书中强调赵云有贤者之风，能体恤民情，慈爱百姓。现今成都武侯祠中，特别把赵云塑造为古朴慈祥、满头白发的元老文臣模样，想必是以他一向的儒将风范所做的具体表征吧！
在同年夏天，东方政局发生了巨大的变化。
击败曹休的大军后，东吴和曹魏关系已完全恶化，孙权一不做，二不休，干脆也称起皇帝来了。他改元黄龙，追尊父孙坚为武烈皇帝，兄长孙策为长桓王，儿子孙登为皇太子；并以诸葛瑾之子诸葛恪为太子左辅，张休为右弼；以建业（今南京市）为京都，国号仍为吴。史称孙权为吴大帝。
孙权派使节到成都晋见刘禅，要求今后两国以平等的皇帝名义相来往。蜀汉朝廷文武大臣议论纷纷。大多认为孙权称帝，无疑否认了蜀汉政权承继汉王朝的正统地位，绝对不予以承认，并主张立刻和东吴断绝关系，有的甚至要求出兵讨伐。务实派的大臣蒋琬等当然拒绝这种激烈手段。因为这样不但会削减北伐曹魏的力量，而且双面树敌，可能危及蜀汉王朝的稳定。因此，认为应由正在汉中组训军队的诸葛亮来裁断。
孙权称帝，对诸葛亮一向以“清流派”传人自居的“正统”观也是严重的挑战，经过深思熟虑后派使者对刘禅上书表示：
孙权很早便有僭逆的野心，我们一直不过于计较，在于必须得到他们的支援，而互为犄角。
如果现在我们公然拒绝承认，并断绝其盟好，必会引来他们的仇视，也将迫使我们移师伐吴，和他们拼一长短，只有并吞了东吴领地后，才能再有力量进兵中原。
但孙权手下贤才众多，文武大臣也能和睦相处，绝不是一朝一夕可以讨平的。长期在此地相持不下，必得益于曹贼，此非为上策。
孝文帝以卑辞谦让应付匈奴，先皇帝也主张和吴国通好，这都是应权通变之道，弘思远益，考虑国家长远大计，而非为匹夫逞一时之忿。
也有人认为孙权以三分鼎立为其目标，不会和我们共同努力讨平曹魏，况且他已志得意满，并无渡江攻打曹魏之打算。这样的说法，都是似是而非的，为什么呢？
孙权其实是心有余而力不足，所以才会限江自保。孙权不能渡长江，犹如曹魏之未能渡汉水，并非力量有余而见利不取。
如果我们大军北征，并告诉他们成功后可以共分曹魏土地，并统辖其军民，我想孙权绝不会静坐不动的。就算他不动，只要双方保持友好态度，让我们在北伐时能够没有后顾之忧，使黄河以南的曹魏大军，不至于全集结在西方，这样对我们已有很大的好处了。
因此，孙权僭越称帝的罪行，不宜公开揭露。
诸葛亮不但承认这个既定的事实，并且以目前国家的实际利益为考虑重点，他坚持自己的战略目标，必须集中攻击曹魏这个首要敌人，对“不是敌人便是同志”的吴国，采取变通原则，才是明智的。因此发表以上公开说明，以说服蜀汉朝廷意见不同的臣属。
诸葛亮更派遣卫尉陈震为使者，到建业祝贺孙权称帝。
双方在经过协商，约定将来平分曹魏疆土时，西部的州归蜀汉，东部的州归吴国，并发表共同声明：“戮力一心，同讨魏贼；若有害汉，则吴伐之；若有害吴，则汉伐之；各守分土，无相侵犯。”俨然是古代版的友好安全同盟。使蜀汉和东吴的关系，得以维护稳定的发展。
诸葛亮在孙权称帝事件上的公开谈话中所提到的“孙权无力渡长江，犹如曹魏无力渡汉水”说法，在隔年春天便遭到挑战了。
蜀汉建兴六年六月，继曹休出任大司马的曹真，建议曹睿主动进攻蜀汉，以解决西南军区的防务。
这次南征军的编组相当庞大，对蜀汉国防的确是空前未有的挑战：
中路大军总司令：曹真
原计划由斜谷越过箕谷进入汉中，后改由长安经子午道直入汉中
东路大军总司令：司马懿
溯汉水而上，由西城进入蜀境，以和曹真会师
西路大军总司令：郭淮
由祁山南下，攻击武都郡和建成郡
曹真向曹睿表示：“汉人数入寇，请由斜谷伐之，诸将数道并进，可以大克。”
曹真有意采用人海战术，倾全力攻击蜀汉，一次将之彻底击溃，因此动员的人力非常庞大。曹真大军人数超过五万人以上，司马懿有三四万，郭淮军由各将领的小部兵马组成，人数也在一两万以上。
这也是司马懿第一次参与对蜀汉的战争，诸葛亮和司马懿这两位日后北伐战场上的宿敌，首次正式交手。
不过，汉中及益州都以地势险要闻名，诸葛亮在防守上面要比攻击轻松得多，何况诸葛亮一直在汉中前线，蜀汉一直处于备战状态，所以敌军来得虽多，诸葛亮心理压力倒不是很大。
诸葛亮的作战计划相当简单，所谓“兵来将挡，水来土掩”。蜀汉的兵力较薄，却不乏独立作战的大将，加上据险而守，又在自己境内，拥有地利及人和的优势。
他自己率领主力部队，驻屯东方城固地区的乐城，抵挡曹真由子午线进入汉中的主力，又可阻止曹真和司马懿会师。
同时他下令李严由江州率两万人马，前来汉中支援，表封李严之子李丰为江州都督，接替其父亲镇守江州，谨防东吴的动静。
严阵以待地防备了一个多月，却没有看到“一只老鼠或蚂蚁”，到底曹魏的大军哪里去了？诸葛亮每天派遣大量细作，搜集敌人动向情报，并未发现曹魏军越山而来的动静。
曹真于六月中到达长安，首先等待张郃大军的到来，他命令张郃由斜谷道进攻汉中，自己则由子午谷道推进，约定在南郑会军。
曹真的大军于八月初出发，刚进入子午谷山区，便碰到连续三十多天的大雨。在谷中绕了一个多月，面对庞大的山雾区，全军迷路了。加上刚建好的栈道被大水冲坏，建了又坏，坏了又建，光是工程就浪费了一个多月时间，曹真的数万大军在大雨中奋斗，真正成了英雄无用武之地。
张郃的大军也不比曹真好多少，斜谷道地形险恶，下雨天根本动弹不得，又和曹真失去了联系。经验老到的张郃判断天险难斗，干脆退回邱县驻扎，伺机而动。
由东路溯汉水而上的司马懿，碰到雨季的大洪流，根本上不了路，只好一直停留在豫州，等“天公作美”了。
曹魏的朝廷大臣反对这次的军事行动，同属辅佐大臣的陈群，首先进谏：“当年太祖由阳平攻张鲁，是趁丰年收割完成之时，但张鲁未攻下，我们就已发生粮食短缺的情形。如今未到收割期便出兵，粮食问题必会更严重，而且斜谷险阻，难以进退。补给运输费时费力……不可不熟虑也。”
太尉华歆也以大雨为患，不宜发动战争，劳民又伤兵，绝非治国之道。少府杨阜亦上书表示：“徒使大军困于山谷之间，进无所略，退又不得，非王兵之道也。”
散骑常待王肃建议，天气短期内无法转晴，是“贼得以逸待劳，乃兵家所惮也”。
曹睿左思右想后，下诏令曹真班师回长安。
曹真退兵后，张郃和司马懿各自返回其驻扎地。
倒是西战线的郭淮大军行动较顺利，他和魏曜分别攻打武都和阴平，使蜀汉防务一度告紧。
诸葛亮确定曹真等退兵后，便立刻命令魏延和吴懿率军入西羌，由后方干扰郭淮的补给线。郭淮和魏曜不得已回军迎击之，双方会战于阳谷（陇西南安祁）。魏延大败郭淮军，也算向曹魏证明了蜀汉国防上的实力。
魏延和吴懿击败郭淮，但以大军深入陇西，防卫和补给方面困难太多，清理完战场后，不敢久留，便再度退回武都郡以南。郭淮虽被击败，仍很快守住了祁山的防线。
诸葛亮以战功上表升魏延为前军师、镇西大将军，进封南郑侯；吴懿为左将军，进封高阳乡侯。
由于曹真来势汹汹，诸葛亮不敢大意，一开始便摆出长期抗战的姿态。因此粮秣的准备相当重要。
将近两个月的雨季，诸葛亮大军均在山中度过，运输成了严重的问题。为克服此困难，诸葛亮首度采用了一种叫做“木牛”的运输工具。
这是专为秦岭山区寸步难行的栈道方便运输而设计的，在第四次北伐行动时，更是全面采用。第五次北征，和司马懿对阵于五丈原时，还依据木牛的几个缺点，加以改良，成为运输更多也快的“流马”。
《三国演义》中，渲染“木牛”及“流马”的神奇性，好像成了“机器牛”和“机器马”，外形和真的“牛”“马”都一样了。连现代也不可能有这种技术，更何况是科学尚不发达的三国时代呢？
《三国志·诸葛亮传》上称赞他“长于巧思……损益连弩，木牛、流马，皆出其意……推演兵法，作八阵图，咸得其要”。换句话说，诸葛亮相当懂得工艺，长于发明和创造各种工具，也就是具有科学头脑，当然三国时代的科技是不可能和现代科学相提并论的。
中国自古便有不少人擅长发明各种科技工具。战国时代的墨翟（墨子）和公输般，以发明攻城及防卫工具而闻名，据说还做过能够飞起来的木鸢（可称得上飞机的雏形）。汉王朝时代的张衡，更以发明观测天象的浑天仪和感知地震的地动仪而流传后世。
相传诸葛亮的妻子黄夫人也是这方面的高手，夫妻两人兴趣相投，相信家里的器具必有不少精彩的设计。
损益连弩是一种杀伤力极强的武器，据说是诸葛亮依照当时的连弩改良设计的，又称之为元戎。弩是一种利用机械力量射箭的兵器，由弩弓、弩臂和弩机组成。装置在弓臂后面的金属发射器（大多由铜制）叫做弩机，一次能够发射数支箭镞的叫做连弩。弩在战国时代已有人使用，汉王朝时为对抗行动火速的匈奴骑兵队，于是发明了连弩。
曹魏军由于曹操擅用骑兵的传统，以快速的骑兵战而闻名，或许诸葛亮便是为了应付曹魏骑兵的冲击，强化己方的杀伤力，才发明这种损益连弩。
根据裴松之记载，诸葛亮的损益连弩以铁为矢，矢长八寸，一弩十矢俱发，号称为摧山弩，威力非常强大，在当时被列为第一流的兵器。
第四次北伐战中，魏国名将张郃便是死在这种“损益连弩”的乱箭齐发之中。
1964年，大陆考古学家在成都附近郫县太平公社，挖掘出后主刘禅景耀四年（公元261年）二月三十日制造的铜弩机，为诸葛亮死后二十七年所制造，应属诸葛亮改良后的一种损益连弩。
这种弩机，弩弦用臂力是拉不开的，发射时必须用脚踏，扣动扳机后，钩抬会往下缩，钩住的弦随即弹出，箭镞就会发射出去，由于附有瞄准器，命中率甚高。
“八阵图”牵涉范围较广，篇后将辟专章讨论，在此不赘述。
其实，最值得一提的仍应属“木牛”“流马”。这是针对蜀国畜力不足、秦岭山区多栈道、运输粮秣非常不方便，由诸葛亮指导工匠蒲元等设计出来的。史料记载：木牛是一脚四足，流马是前后两脚；脚是车轮，足是支撑用的木柱。也就是说，“木牛”及“流马”并非是“牛”形或“马”形的机器，而是单轮和四轮的小木车。
清朝人张澍在其所编纂的《诸葛武侯故事》中引用《后山杂谭》记载：“蜀中有一种小车子，一个人推动，可运载八石重的东西，前如牛头；又有一种大车子，可以四个人一起推。载重量超过十石，这大概就是诸葛亮所发明的‘木牛’‘流马’吧！”
不过根据史料记载，诸葛亮时，木牛只能载一岁粮（即一个人一年的口粮），流马只能载四斛六斗（约四石多）。由此看来，《杂谭》所记载的，已是经过改良后运输量更大的“木牛”“流马”了。
木制独轮小车，其实在汉代以前，已为民间所用，称为辗车。诸葛亮的“木牛”，应是针对山路崎岖、平衡感的特殊需要，重新设计的。
成都羊子山二号汉墓出土的骈车画像砖，右下角有人在推独轮小车，大概就是“木牛”的大体轮廓。
“木牛”每次可载一岁粮，约有六百公斤重，每人每天可以运送二十里路，虽不会太辛苦，但速度的确稍慢了些。后来设计的“流马”，不但载重量增大许多，相信最主要应是速度的改良，所以才会以流马称之。
“木牛”“流马”可以运粮，本身又不需要喂食，对长期的远征作战，的确有很大的帮助。