就在孙权称帝的这一年，诸葛亮在汉中又有一次大的军事行动，这一年的春天诸葛亮再次兴兵北伐。
距陈仓之战还不到三个月，诸葛亮又主动发起攻击，不禁让对手吃了一惊，这从侧面再次证明了，第二次北伐在陈仓遇阻算不上一次意外，更不是一场惨败。此次北伐没有再攻陈仓，也没有出兵陇右，而是重新规划了路线，出击曹魏控制下的武都郡和阴平郡。
武都郡是汉中郡的西邻，诸葛亮第一次北伐时曾率领大军从这里经过，阴平郡在武威郡的西边，这两个郡属于魏、蜀拉锯地带，双方经常在此展开争夺，第一次北伐失利后，这两个郡大部分地方被曹魏实际掌握，但它们又与长安相距遥远，孤悬于外。
摊开地图，汉中郡、武都郡、阴平郡由东向西一字排开，祁山和陇右大约在汉中郡的左上方，所以从方位上看攻取武都、阴平二郡不算“北伐”，应该称“西征”。
前两次北伐无功，蜀汉上下被失败的阴影所笼罩，急需要来一场胜利，把相对易攻取的这两个郡拿回来，也是对士气的一次鼓舞，这大概是诸葛亮急于发动第三次北伐的原因。即使如此诸葛亮也不敢有丝毫怠慢，而是进行了周密部署，他派将军陈式率兵去取武都、阴平二郡，陈式参加过猇亭之战，在刘备时期就是蜀军的高级将领。
陈式只是诸葛亮派出的诱饵，目的是吸引魏军的主力。身在长安的曹真在陈仓胜利的喜悦中过了一个快乐的新年，天气刚刚转暖，他根本没料到诸葛亮还会出击，加上魏军主力分散，武都、阴平偏远，所以被打了个措手不及。
曹真命雍州刺史郭淮组织就近的魏军前去救援，郭淮领命，带领人马朝陈式迎来，这正是诸葛亮想看到的。诸葛亮立即亲自率领主力包抄过去，攻击建威。建威即今甘肃省成县，距曹魏的陇右重镇上邽仅数十里。幸亏郭淮发现得早，赶紧撤退，否则就将被蜀军包围歼灭。打退了来增援的魏军，武都、阴平二郡没费多大力气就占领了，这两个郡被纳入蜀汉的版图。
第三次北伐规模不大，历时也不长，但收获很大。
武都、阴平二郡的面积都不小于汉中郡，此战使蜀汉北部边防区扩大了三倍，并把北部防线连成为一体，为以后再出祁山、攻击陇右打通了道路。尤其是收复了阴平，从而控制了著名的阴平道北面的入口，对于防止魏军利用这条古道偷袭蜀汉意义十分重大。
诸葛亮在武都等地稍作停留，按照征服南中的成功经验，对当地的氐族、羌族等少数民族部落首领进行了一番安抚，之后率兵回到汉中。胜利的消息传到成都，后主立即下诏对诸葛亮予以嘉奖：“街亭之败，原因都在马谡，但您却勇于承担责任，自贬职务，寡人不愿违背您的意愿，所以顺从了您的意见。年前出师，斩杀了敌将王双，今年再出征，又赶跑了郭淮，招降了一批氐、羌部族，收复武都、阴平二郡，以神威震服了凶暴的敌人，建立了显赫的功勋。如今天下仍战乱不宁，最大的敌人仍然未除，您承担着讨伐敌人的大任，是国家的支柱，却长期贬抑自己，这不利于发扬宏大的伟业。所以，现在恢复您丞相的职务，您务必不要推辞！”
以右将军的身份行使丞相职权毕竟有许多不便，对于后主恢复自己丞相职务的诏书诸葛亮也没有再推辞。
回到汉中后，诸葛亮继续加紧了汉中的建设。
汉中的首府是南郑，诸葛亮率大军来到汉中，考虑到人马太多，大本营一直没有进驻南郑，而是安扎在阳平关附近一个叫石马的地方。为了今后长期在汉中驻军，诸葛亮利用这段相对空闲的时间，命人修筑了两座新城，巩固汉中的防卫。
一座新城在沔阳县即今陕西省勉县附近，称汉城；一座新城在城固县即今陕西省城固县附近，称乐城。这两座新城的位置，一个在南郑的东边，一个在南郑的西边，加强了汉中的防务。
诸葛亮把大本营也迁往南山之下，这里位于沔阳县城之南，是一处通往巴中的平原地带，地势开阔。诸葛亮抓紧这段相对平静的时间，发展汉中的生产，依托新城的修建，扩大屯耕面积，积蓄粮食，加强训练，为再次北伐做准备。
在治军、选将方面，诸葛亮更是花了不少心思。诸葛亮素来以治政、治军严厉著称，他认为只有纪律严明才能提高战斗力，他主张平时严格训练，战时才能保持严明的纪律。他亲自抓作战训练，有些地方管得还很细，他曾发布过一道命令：“听到擂五通鼓的号令，应举黄、白两块幡合成的旗子，摆设三面对敌的圆阵。”
在选将用人方面诸葛亮也倾注了大量心血，他写了不少这方面的文章，内容包括好将领应有什么样的素质、有什么样的气度，应具备什么样的机变权谋，如何振奋士气、提高军队战斗力，如何肃军容、扬军威，如何发挥幕僚的作用，什么是将领的软肋，什么是不合格的将领等。
第三次北伐进攻武都郡的第一天，为砍敌人的鹿角，竟然一口气用坏了1000把斧子，幸好敌人已经跑了，否则再有敌人来就没有斧子可用了。这让诸葛亮很纳闷，不知道为什么斧子这么不经用。
回到汉中，诸葛亮又让人制作了几百把斧子，用了100天还没有坏，这才知道先前主管制作刀斧的官员不负责任，应当拘捕治罪。通过这件事，诸葛亮告诫大家：“这不是小事，如果再拿那种质量不合格的斧子与敌人交战，就会破坏整个军事行动！”
武都、阴平二郡丢失后，曹真有些气不过。
曹真已接替了曹休的职务成为大司马，仍驻守长安，负责西线战场，曹真的大将军一职由司马懿升任，仍然驻守宛县，负责中线战场。
在所有“诸夏侯曹”中曹真目前是硕果仅存的一个了，是曹魏名副其实的中流砥柱，但也很孤独。诸葛亮第三次北伐后，曹真专程赶到洛阳，向魏明帝提出了一个主动出击的计划。
曹真认为，蜀军连年侵略边地，总防守也不是办法，应该发起进攻，数路共进，可以取得大胜，其具体计划是：由他率主力由褒斜道进攻，作为主攻方向，再派数路魏军从其他方向进攻，让蜀军无法兼顾，最后在汉中腹地会合，一战至少可收复汉中。
魏明帝一时拿不定主意，把曹真的计划交给司空陈群看，陈群反对，理由是：“武皇帝过去经阳平关攻张鲁，收割了敌人占领地区大量的豆子、麦子作为军粮，然而敌人还没有打败，粮食就吃光了。如今到敌人那里抢不到粮食，而且褒斜道地势险峻，进退困难，运送粮食又容易被敌人抄了后路，如果留下太多的兵力保护运输通道，又会分散兵力，这些都不得不深思熟虑啊！”
陈群当过镇军大将军，但本质上是个文臣，站在军事的角度看他的见解只能说一般，按照他的说法汉中永远都无法收复了，困难始终摆在那里，总得想出个解决的办法。但作为政治家，他的见解又或许是对的，同时面对蜀汉、孙吴两个对手，要不要主动出击、什么情况下主动出击的确应当谨慎。