夷陵之战，刘备败走白帝城，托孤于诸葛亮。刘备死后，建兴元年（公元223）四月，后主刘禅继位。诸葛亮被封为武乡侯，领益州牧。正是从这时起，诸葛亮的政治才能才真正地发挥出来。诸葛亮牢记先帝的临终嘱托，忠心辅佐刘禅，治理蜀汉，鞠躬尽瘁，死而后已。他励精图治，赏罚严明，采取了一系列有利于蜀汉发展的政治、经济、文化措施，并积极改善与西南各少数民族的关系。他曾多次北伐中原，终因积劳成疾，病逝于五丈原。
刘备的兴兵伐吴，破坏了业已形成的孙刘联盟，对蜀汉的发展极为不利。刘禅即位后，蜀国国力薄弱，当务之急就是恢复并巩固孙刘联盟，以抵抗曹魏。诸葛亮派邓芝出使东吴，说服孙权断绝与曹魏的关系，重新建立了与蜀汉的盟友关系。
诸葛亮治蜀期间，采取了一系列政治、经济、文化措施。在政治方面，他强调以法治国，制定颁布了一系列法律法规，如《法检》、《科令》、《军令》、《蜀科》等就是诸葛亮同其他人共同制定的法律文本。诸葛亮赏罚分明，不徇私情，同时，还重视人才，任人唯贤。诸葛亮还对蜀汉的行政机构进行了改革整顿，精简了吏员，节省了国家开支。在农业方面，诸葛亮重视农业生产，要求各级官员不要耽误农时，妨碍农民作业，同时还要减轻赋税。他鼓励农民种植，还在汉中一带推广屯田，以解决北伐所需的军粮供应。在水利事业方面，派专人对蜀国规模最大的水利枢纽工程都江堰进行维护和管理，以保证农业灌溉的顺利进行。在诸葛亮手工业政策的引导下，蜀国的盐铁业和诸葛亮织锦业都非常发达。当时蜀国一些地方已经可以用火井煮盐，钢铁冶炼也非常先进。在织锦业中，锦江、锦里都因织锦而得名。诸葛亮鼓励桑蚕事业，蜀锦成为当时蜀国财政收入的重要来源。在诸葛亮的精心治理下，蜀国得以在相对稳定的环境下，与魏、吴对峙，继续延续了40年的时光。
诸葛亮在治蜀的同时，还南征北战，一方面平定南中，改善与当地少数民族的关系；另一方面，多次北伐中原，企图恢复汉室基业。
蜀汉南部的南中地区，分布着一些少数民族，这些少数民族趁刘备新亡，蜀汉政权不稳之时发动了叛乱。首先是益州地方豪帅雍闿的叛乱。他杀死了益州太守正昂，气焰嚣张。诸葛亮又任命张裔为益州太守，却被雍闿抓起来送往东吴，孙权任雍闿为永昌太守。随后，雍闿又与同郡人孟获等人煽动当地少数民族起兵叛乱，牂牁太守、越巂夷王等也纷纷起兵相应，严重威胁着新生的蜀汉政权。
诸葛亮首先试探性地采取和平解决的方式，给雍闿写信，劝他停止叛乱，但遭到了雍闿的拒绝。随后，诸葛亮决定通过武力平定叛乱。建兴三年（公元225）三月，诸葛亮亲率蜀军，兵分三路，开进南中。蜀军很快平定了越巂郡和牂牁郡，五月，蜀军渡过泸水，进入了益州郡。此时，雍闿被杀，孟获代替他继续领导叛军。诸葛亮命令军士对孟获只擒不杀，要让孟获心服口服。诸葛亮对孟获七擒七纵，终于收服了孟获。孟获率部来降，并答应南人永不反叛。七月，南中少数民族的叛乱彻底平息。
诸葛亮平定南中后，对当地采取了一系列安抚政策。如增加郡的数量，任用当地官吏管理当地事务，还让一些有威望的少数民族豪酋到蜀汉中央任职，对改善蜀汉与少数族的关系起到了重要的推动作用，促进了南中地区经济文化的发展。
在平定南中叛乱后，诸葛亮又开始了对曹魏的北伐战争。黄初七年（公元226），魏文帝曹丕死，其子曹叡即位。诸葛亮认为这是北伐的好机会，第二年春天，他亲率大军开始了第一次伐魏战争。著名的《出师表》就是诸葛亮在这次北伐前，向后主刘禅上的。诸葛亮首先在汉中驻扎，建兴六年（公元228），他决定出兵伐曹。很快，曹魏的天水、南安、安定等郡陆续降蜀，诸葛亮还在天水收降了姜维，使蜀军如虎添翼，整个战争形势对蜀军非常有利。但由于蜀将马谡轻敌自傲，致使重要军事据点街亭（今甘肃庄浪东南）失守，第一次北伐以失败告终。
诸葛亮挥泪斩马谡，并上书刘禅，自贬三级。这年冬天，诸葛亮乘魏吴交战之机，再次伐魏，包围陈仓。但由于蜀军粮草不足，诸葛亮下令撤军，返回了汉中。
建兴七年（公元229）春，诸葛亮发动了第三次北伐。由于连续阴雨，阻碍了蜀军的前进，使得蜀军被迫撤退。建兴九年（公元231）春，诸葛亮率军第四次北伐。在这次战争中，诸葛亮与魏将司马懿展开了针锋相对的比试。正在势均力敌之时，刘禅突然要求诸葛亮撤兵，诸葛亮急忙撤回汉中，却被告知并不是刘禅下令撤军，而是负责运粮的李严失职，假传圣旨。诸葛亮虽然上书刘禅将李严治罪，却丧失了战胜魏军的大好时机。
为了解决军粮辎重的运输问题，诸葛亮发明了“木牛”、“流马”，为战争提供了高效快捷的后援补给。经过了三年的修养生息，魏、蜀双方的实力都有所增长，建兴十二年（公元234），诸葛亮率十万大军第五次伐魏。此次北伐，蜀军兵出斜谷口，驻扎在五丈原（今陕西眉县西南）。诸葛亮与司马懿在渭水南岸继续对峙。但诸葛亮由于过度劳累，身体每况愈下，终于病倒在前线，逝于五丈原。诸葛亮死后，蜀汉政权开始走下坡路，最终被曹魏所灭。
刘禅为了纪念诸葛亮对蜀汉政权做出的丰功伟绩，将其葬于汉中的定军山（今陕西勉县东南），追谥为忠武侯，所以历史上称诸葛亮的祠庙为“武侯祠”。
