就在孫權稱帝的這一年，諸葛亮在漢中又有一次大的軍事行動，這一年的春天諸葛亮再次興兵北伐。
距陳倉之戰還不到三個月，諸葛亮又主動發起攻擊，不禁讓對手吃了一驚，這從側面再次證明了，第二次北伐在陳倉遇阻算不上一次意外，更不是一場慘敗。此次北伐沒有再攻陳倉，也沒有出兵隴右，而是重新規劃了路線，出擊曹魏控制下的武都郡和陰平郡。
武都郡是漢中郡的西鄰，諸葛亮第一次北伐時曾率領大軍從這裡經過，陰平郡在武威郡的西邊，這兩個郡屬於魏、蜀拉鋸地帶，雙方經常在此展開爭奪，第一次北伐失利後，這兩個郡大部分地方被曹魏實際掌握，但它們又與長安相距遙遠，孤懸於外。
攤開地圖，漢中郡、武都郡、陰平郡由東向西一字排開，祁山和隴右大約在漢中郡的左上方，所以從方位上看攻取武都、陰平二郡不算「北伐」，應該稱「西征」。
前兩次北伐無功，蜀漢上下被失敗的陰影所籠罩，急需要來一場勝利，把相對易攻取的這兩個郡拿回來，也是對士氣的一次鼓舞，這大概是諸葛亮急於發動第三次北伐的原因。即使如此諸葛亮也不敢有絲毫怠慢，而是進行了周密部署，他派將軍陳式率兵去取武都、陰平二郡，陳式參加過猇亭之戰，在劉備時期就是蜀軍的高級將領。
陳式只是諸葛亮派出的誘餌，目的是吸引魏軍的主力。身在長安的曹真在陳倉勝利的喜悅中過了一個快樂的新年，天氣剛剛轉暖，他根本沒料到諸葛亮還會出擊，加上魏軍主力分散，武都、陰平偏遠，所以被打了個措手不及。
曹真命雍州刺史郭淮組織就近的魏軍前去救援，郭淮領命，帶領人馬朝陳式迎來，這正是諸葛亮想看到的。諸葛亮立即親自率領主力包抄過去，攻擊建威。建威即今甘肅省成縣，距曹魏的隴右重鎮上邽僅數十里。幸虧郭淮發現得早，趕緊撤退，否則就將被蜀軍包圍殲滅。打退了來增援的魏軍，武都、陰平二郡沒費多大力氣就佔領了，這兩個郡被納入蜀漢的版圖。
第三次北伐規模不大，歷時也不長，但收穫很大。
武都、陰平二郡的面積都不小於漢中郡，此戰使蜀漢北部邊防區擴大了三倍，並把北部防線連成為一體，為以後再出祁山、攻擊隴右打通了道路。尤其是收復了陰平，從而控制了著名的陰平道北面的入口，對於防止魏軍利用這條古道偷襲蜀漢意義十分重大。
諸葛亮在武都等地稍作停留，按照征服南中的成功經驗，對當地的氐族、羌族等少數民族部落首領進行了一番安撫，之後率兵回到漢中。勝利的消息傳到成都，後主立即下詔對諸葛亮予以嘉獎：「街亭之敗，原因都在馬謖，但您卻勇於承擔責任，自貶職務，寡人不願違背您的意願，所以順從了您的意見。年前出師，斬殺了敵將王雙，今年再出征，又趕跑了郭淮，招降了一批氐、羌部族，收復武都、陰平二郡，以神威震服了凶暴的敵人，建立了顯赫的功勳。如今天下仍戰亂不寧，最大的敵人仍然未除，您承擔著討伐敵人的大任，是國家的支柱，卻長期貶抑自己，這不利於發揚宏大的偉業。所以，現在恢復您丞相的職務，您務必不要推辭！」
以右將軍的身份行使丞相職權畢竟有許多不便，對於後主恢復自己丞相職務的詔書諸葛亮也沒有再推辭。
回到漢中後，諸葛亮繼續加緊了漢中的建設。
漢中的首府是南鄭，諸葛亮率大軍來到漢中，考慮到人馬太多，大本營一直沒有進駐南鄭，而是安紮在陽平關附近一個叫石馬的地方。為了今後長期在漢中駐軍，諸葛亮利用這段相對空閒的時間，命人修築了兩座新城，鞏固漢中的防衛。
一座新城在沔陽縣即今陝西省勉縣附近，稱漢城；一座新城在城固縣即今陝西省城固縣附近，稱樂城。這兩座新城的位置，一個在南鄭的東邊，一個在南鄭的西邊，加強了漢中的防務。
諸葛亮把大本營也遷往南山之下，這裡位於沔陽縣城之南，是一處通往巴中的平原地帶，地勢開闊。諸葛亮抓緊這段相對平靜的時間，發展漢中的生產，依托新城的修建，擴大屯耕面積，積蓄糧食，加強訓練，為再次北伐做準備。在治軍、選將方面，諸葛亮更是花了不少心思。諸葛亮素來以治政、治軍嚴厲著稱，他認為只有紀律嚴明才能提高戰鬥力，他主張平時嚴格訓練，戰時才能保持嚴明的紀律。他親自抓作戰訓練，有些地方管得還很細，他曾發佈過一道命令：「聽到擂五通鼓的號令，應舉黃、白兩塊幡合成的旗子，擺設三面對敵的圓陣。」
在選將用人方面諸葛亮也傾注了大量心血，他寫了不少這方面的文章，內容包括好將領應有什麼樣的素質、有什麼樣的氣度，應具備什麼樣的機變權謀，如何振奮士氣、提高軍隊戰鬥力，如何肅軍容、揚軍威，如何發揮幕僚的作用，什麼是將領的軟肋，什麼是不合格的將領等。
第三次北伐進攻武都郡的第一天，為砍敵人的鹿角，竟然一口氣用壞了1000把斧子，幸好敵人已經跑了，否則再有敵人來就沒有斧子可用了。這讓諸葛亮很納悶，不知道為什麼斧子這麼不經用。
回到漢中，諸葛亮又讓人製作了幾百把斧子，用了100天還沒有壞，這才知道先前主管製作刀斧的官員不負責任，應當拘捕治罪。通過這件事，諸葛亮告誡大家：「這不是小事，如果再拿那種質量不合格的斧子與敵人交戰，就會破壞整個軍事行動！」
武都、陰平二郡丟失後，曹真有些氣不過。
曹真已接替了曹休的職務成為大司馬，仍駐守長安，負責西線戰場，曹真的大將軍一職由司馬懿升任，仍然駐守宛縣，負責中線戰場。
在所有「諸夏侯曹」中曹真目前是碩果僅存的一個了，是曹魏名副其實的中流砥柱，但也很孤獨。諸葛亮第三次北伐後，曹真專程趕到洛陽，向魏明帝提出了一個主動出擊的計劃。
曹真認為，蜀軍連年侵略邊地，總防守也不是辦法，應該發起進攻，數路共進，可以取得大勝，其具體計劃是：由他率主力由褒斜道進攻，作為主攻方向，再派數路魏軍從其他方向進攻，讓蜀軍無法兼顧，最後在漢中腹地會合，一戰至少可收復漢中。
魏明帝一時拿不定主意，把曹真的計劃交給司空陳群看，陳群反對，理由是：「武皇帝過去經陽平關攻張魯，收割了敵人佔領地區大量的豆子、麥子作為軍糧，然而敵人還沒有打敗，糧食就吃光了。如今到敵人那裡搶不到糧食，而且褒斜道地勢險峻，進退困難，運送糧食又容易被敵人抄了後路，如果留下太多的兵力保護運輸通道，又會分散兵力，這些都不得不深思熟慮啊！」
陳群當過鎮軍大將軍，但本質上是個文臣，站在軍事的角度看他的見解只能說一般，按照他的說法漢中永遠都無法收復了，困難始終擺在那裡，總得想出個解決的辦法。但作為政治家，他的見解又或許是對的，同時面對蜀漢、孫吳兩個對手，要不要主動出擊、什麼情況下主動出擊的確應當謹慎。
魏明帝其實也不願意主動出兵，他贊同陳群的意見。但曹真很執著，把作戰方案修改了一下，又重新上報，新方案的主攻路線由褒斜道改為子午道，其他不變。
魏明帝又把曹真的方案給陳群看，陳群仍然反對，並列舉了不宜出兵的具體理由，重點談到了軍費開支問題。魏明帝再次把陳群的反對意見批轉給曹真，他沒有直接否決曹真的計劃，但傾向性已很明顯，他並不是很積極，但曹真不這麼看，他覺得皇上沒有否決他的計劃等於是批准了，把陳群的意見轉來只是讓他參閱。
曹魏太和二年（230）秋天，曹真精心策劃的漢中之戰開始了。這已經是曹魏第三次征漢中了，前兩次都是曹操親自帶的隊，這一次曹真志在必得，共集合了約20萬大軍，分三路大軍同時出擊：第一路由他親自率領，由長安以南入子午道，出子午谷後直取漢中的南鄭；第二路由張郃率領，由郿縣入褒斜道，經斜谷出漢中，向南鄭方向會合，張郃現在已升任車騎將軍一職，是魏軍的第三號人物，目前也在西線戰場，歸曹真調度；第三路由大將軍司馬懿率領，由新城郡沿漢水溯流而上，水陸並進，向南鄭挺進。司馬懿在荊州時曾打算訓練一支水軍進攻孫吳，現在先用到了這裡。
消息傳到漢中，大家都有些緊張。
諸葛亮馬上派人通知吳帝孫權，告知曹魏的大軍已向漢中方向集結，中線戰場兵力空虛，請孫權在中線、東線兩個戰場上同時採取行動，趁機搶佔曹魏的地盤，至少拖住曹軍主力，讓他們不敢輕易向西線增兵。
諸葛亮把漢中地區的蜀中主力集結起來，除分守南鄭、漢城、樂城等要地外，重點佈兵於赤阪，此地位於子午道南出口附近，一旦曹真的大軍從子午道殺出，這裡必將有一場惡戰。鑒於漢中兵力不足，諸葛亮請前將軍李嚴速從江州抽調2萬人馬北上，由李嚴親自率領來漢中增援。
這時，諸葛亮卻遇上了意外的麻煩。
危急關頭李嚴本應火速增兵前來，但他卻給諸葛亮回了封信，信中故意透露司馬懿在秘密拉攏他，李嚴就此說到了開府的事。開府就是組建自己的工作機構，沒有開府，你的官再大，也是給人家跑腿的；開了府，你就成了掌櫃的，目前蜀漢只有諸葛亮一人開府，李嚴覺得他也是托孤大臣，曹魏的托孤大臣司馬懿能開府，自己也應該效仿。
接到李嚴的信，諸葛亮一定很生氣，但為了確保他趕緊增兵漢中，諸葛亮不得已奏請後主，升李嚴為驃騎將軍，並升其子李豐為江州都督，接替李嚴的位置，仍舊鎮守江州。
這樣，李嚴才帶著臨時抽調的人馬前往漢中。
先不說曹真是如何進攻的，先說說孫權。
接到諸葛亮的請求孫權立即行動，讓江北地區的吳軍向外放出話來，要攻打合肥。曹魏東線戰場的總指揮目前是征東將軍滿寵，聽到消息不敢怠慢，立即徵調兗州、豫州各地兵馬向合肥方向集中，以備吳軍來攻。但吳軍只是做做樣子，沒有真打，大家以為這是吳蜀之間玩的老把戲，那邊開打，這邊虛晃一槍目的是牽制，孫權頂多是出工不出力。
魏明帝下詔，讓滿寵把臨時徵調來的人馬退回去。但滿寵認為孫吳的真實打算未必只是虛晃這一槍，他們撤退也許是一種心理戰，一定會趁這邊沒有防備之時，殺一個回馬槍。滿寵上表，要求暫不退兵，魏明帝詔准。
果然讓滿寵料對了，這一次孫權的打算不僅是幫幫場子，而且要抓住時機真干一回，他先聲奪人，之後又示弱而退，都是心理戰，目的是讓合肥的守軍放鬆戒備，然後集合大軍突然攻擊合肥。由於滿寵早有準備，合肥兵力充足，吳軍無法得手，只得退回，但如此一來，魏軍在東線受到了牽制，諸葛亮協同孫吳行動的目的也達到了。
曹魏中線戰場總指揮大將軍司馬懿接到魏明帝的詔書，讓他配合曹真攻打漢中。司馬懿遠沒有曹真那麼積極，此戰獲勝出名的是曹真，他的威望定然進一步增加，與自己拉開差距；如果此戰失利，損失的是曹魏基業，自己也白忙一場。
尤其是溯漢水而上的作戰路線，司馬懿肯定更有意見，他有理由懷疑這是一幫參謀對著地圖拍著腦袋擬訂的方案，漢水洶急，一路穿山越嶺，雖有部分河段可通航，但順流而下與逆流而上完全是兩回事，自古征漢中，都是自北向南，或者出大散關，像這樣由東南方向往西北攻的很少，走水路逆流而上根本就沒聽說過。
但司馬懿仍得執行詔令，他由宛縣趕到新城郡，由那裡出發，組織人馬水陸並進，溯漢水向漢中方向攻擊，但他們的進展沒法太快，因為這一帶很多地方都沒有路，他們一邊走還得一邊開路。
秦嶺中間的兩條棧道裡，曹真和張郃分別指揮大軍進攻。這時是農曆的八月，秦嶺山中出人意料地下起了大雨，一口氣下了30多天。山中本來道路就難行，現在到處是水，不停地有滑坡、泥石流，沒法休息，冷得要死，吃不好，睡不了，簡直如同進入人間地獄，有人建議撤軍，曹真急了，不許。
在洛陽，太尉華歆也上疏建議撤軍：「陛下的聖德堪比成康，即便有吳蜀二賊，也不過苟延殘喘。用兵，不得已而用之，願陛下以治理國家為第一要事，然後再考慮征伐。千里運糧，越險深入，勞而無功。我聽說今年征戰已嚴重影響到生產，為國者以民為基，民以衣食為本，如果天下百姓沒有饑寒之患，他們也就沒有離土之心，吳蜀二賊，可坐而平定。」
魏明帝還想等等看，就回復華歆道：「先生考慮得很深，我感到欣慰。但是，賊人憑借山川之險，武皇帝、文皇帝在世時，也多次未能平定，我何德何能，可以指望不費力就把他們消滅？先試探一下，如果天時未到，再說撤兵不遲。」
又過了幾天，雨還在下，少府卿楊阜上疏說：「現在吳蜀未平，上天頻頻降下凶兆，大軍剛出發，大雨就下個不停。目前大軍已困在山中多日，糧草轉運都靠肩挑背扛，十分費力，《左傳》說『見可而進，知難而退，軍之善政也』，應該趕緊退兵。」
王朗的兒子、散騎常侍王肅也上疏說：「古說『千里饋糧，士有饑色，樵蘇後爨，師不宿飽』，這說的還是平途行軍的事，何況現在深入險境，鑿路而前，勞力必百倍。加之現在大雨，山路濕滑，行軍速度很慢，糧草又難以保證，這些都是兵家所忌。」
看到大家一致反對，魏明帝知道不能再堅持了，下詔讓包括曹真在內的各路魏軍撤回。
魏軍撤退，諸葛亮命魏延和吳壹分別率人馬攻擊曹魏控制的隴右，魏延和吳壹越過武都郡，向西攻入曹魏南安郡境內，曹魏後將軍費曜、雍州刺史郭淮率兵來迎，魏延和吳壹打敗了他們，取得了勝利，蜀軍隨後退回。這是第三北伐獲勝後緊接著的又一次勝利，諸葛亮把魏延在丞相府裡的職務由丞相司馬提升為丞相前軍師，並上報後主，將魏延的爵位由亭侯晉為南鄭縣侯；上報後主擢升吳壹為左將軍，由亭侯晉爵為高陽鄉侯，魏延留下的丞相司馬一職提拔費禕來擔任。
有人把阻擊曹真這一仗，以及魏延、吳壹主動出擊隴右也看成單獨的兩次北伐，其實這兩仗屬於同一場戰役，這場戰役是曹魏一方主動發起，不能算嚴格意義上的北伐。