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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。
魏明帝其实也不愿意主动出兵，他赞同陈群的意见。但曹真很执着，把作战方案修改了一下，又重新上报，新方案的主攻路线由褒斜道改为子午道，其他不变。
魏明帝又把曹真的方案给陈群看，陈群仍然反对，并列举了不宜出兵的具体理由，重点谈到了军费开支问题。魏明帝再次把陈群的反对意见批转给曹真，他没有直接否决曹真的计划，但倾向性已很明显，他并不是很积极，但曹真不这么看，他觉得皇上没有否决他的计划等于是批准了，把陈群的意见转来只是让他参阅。
曹魏太和二年（230）秋天，曹真精心策划的汉中之战开始了。这已经是曹魏第三次征汉中了，前两次都是曹操亲自带的队，这一次曹真志在必得，共集合了约20万大军，分三路大军同时出击：第一路由他亲自率领，由长安以南入子午道，出子午谷后直取汉中的南郑；第二路由张郃率领，由郿县入褒斜道，经斜谷出汉中，向南郑方向会合，张郃现在已升任车骑将军一职，是魏军的第三号人物，目前也在西线战场，归曹真调度；第三路由大将军司马懿率领，由新城郡沿汉水溯流而上，水陆并进，向南郑挺进。司马懿在荆州时曾打算训练一支水军进攻孙吴，现在先用到了这里。
消息传到汉中，大家都有些紧张。
诸葛亮马上派人通知吴帝孙权，告知曹魏的大军已向汉中方向集结，中线战场兵力空虚，请孙权在中线、东线两个战场上同时采取行动，趁机抢占曹魏的地盘，至少拖住曹军主力，让他们不敢轻易向西线增兵。
诸葛亮把汉中地区的蜀中主力集结起来，除分守南郑、汉城、乐城等要地外，重点布兵于赤阪，此地位于子午道南出口附近，一旦曹真的大军从子午道杀出，这里必将有一场恶战。鉴于汉中兵力不足，诸葛亮请前将军李严速从江州抽调2万人马北上，由李严亲自率领来汉中增援。
这时，诸葛亮却遇上了意外的麻烦。
危急关头李严本应火速增兵前来，但他却给诸葛亮回了封信，信中故意透露司马懿在秘密拉拢他，李严就此说到了开府的事。开府就是组建自己的工作机构，没有开府，你的官再大，也是给人家跑腿的；开了府，你就成了掌柜的，目前蜀汉只有诸葛亮一人开府，李严觉得他也是托孤大臣，曹魏的托孤大臣司马懿能开府，自己也应该效仿。
接到李严的信，诸葛亮一定很生气，但为了确保他赶紧增兵汉中，诸葛亮不得已奏请后主，升李严为骠骑将军，并升其子李丰为江州都督，接替李严的位置，仍旧镇守江州。
这样，李严才带着临时抽调的人马前往汉中。
先不说曹真是如何进攻的，先说说孙权。
接到诸葛亮的请求孙权立即行动，让江北地区的吴军向外放出话来，要攻打合肥。曹魏东线战场的总指挥目前是征东将军满宠，听到消息不敢怠慢，立即征调兖州、豫州各地兵马向合肥方向集中，以备吴军来攻。但吴军只是做做样子，没有真打，大家以为这是吴蜀之间玩的老把戏，那边开打，这边虚晃一枪目的是牵制，孙权顶多是出工不出力。
魏明帝下诏，让满宠把临时征调来的人马退回去。但满宠认为孙吴的真实打算未必只是虚晃这一枪，他们撤退也许是一种心理战，一定会趁这边没有防备之时，杀一个回马枪。满宠上表，要求暂不退兵，魏明帝诏准。
果然让满宠料对了，这一次孙权的打算不仅是帮帮场子，而且要抓住时机真干一回，他先声夺人，之后又示弱而退，都是心理战，目的是让合肥的守军放松戒备，然后集合大军突然攻击合肥。由于满宠早有准备，合肥兵力充足，吴军无法得手，只得退回，但如此一来，魏军在东线受到了牵制，诸葛亮协同孙吴行动的目的也达到了。
曹魏中线战场总指挥大将军司马懿接到魏明帝的诏书，让他配合曹真攻打汉中。司马懿远没有曹真那么积极，此战获胜出名的是曹真，他的威望定然进一步增加，与自己拉开差距；如果此战失利，损失的是曹魏基业，自己也白忙一场。
尤其是溯汉水而上的作战路线，司马懿肯定更有意见，他有理由怀疑这是一帮参谋对着地图拍着脑袋拟订的方案，汉水汹急，一路穿山越岭，虽有部分河段可通航，但顺流而下与逆流而上完全是两回事，自古征汉中，都是自北向南，或者出大散关，像这样由东南方向往西北攻的很少，走水路逆流而上根本就没听说过。
但司马懿仍得执行诏令，他由宛县赶到新城郡，由那里出发，组织人马水陆并进，溯汉水向汉中方向攻击，但他们的进展没法太快，因为这一带很多地方都没有路，他们一边走还得一边开路。
秦岭中间的两条栈道里，曹真和张郃分别指挥大军进攻。这时是农历的八月，秦岭山中出人意料地下起了大雨，一口气下了30多天。山中本来道路就难行，现在到处是水，不停地有滑坡、泥石流，没法休息，冷得要死，吃不好，睡不了，简直如同进入人间地狱，有人建议撤军，曹真急了，不许。
在洛阳，太尉华歆也上疏建议撤军：“陛下的圣德堪比成康，即便有吴蜀二贼，也不过苟延残喘。用兵，不得已而用之，愿陛下以治理国家为第一要事，然后再考虑征伐。千里运粮，越险深入，劳而无功。我听说今年征战已严重影响到生产，为国者以民为基，民以衣食为本，如果天下百姓没有饥寒之患，他们也就没有离土之心，吴蜀二贼，可坐而平定。”
魏明帝还想等等看，就回复华歆道：“先生考虑得很深，我感到欣慰。但是，贼人凭借山川之险，武皇帝、文皇帝在世时，也多次未能平定，我何德何能，可以指望不费力就把他们消灭？先试探一下，如果天时未到，再说撤兵不迟。”
又过了几天，雨还在下，少府卿杨阜上疏说：“现在吴蜀未平，上天频频降下凶兆，大军刚出发，大雨就下个不停。目前大军已困在山中多日，粮草转运都靠肩挑背扛，十分费力，《左传》说‘见可而进，知难而退，军之善政也’，应该赶紧退兵。”
王朗的儿子、散骑常侍王肃也上疏说：“古说‘千里馈粮，士有饥色，樵苏后爨，师不宿饱’，这说的还是平途行军的事，何况现在深入险境，凿路而前，劳力必百倍。加之现在大雨，山路湿滑，行军速度很慢，粮草又难以保证，这些都是兵家所忌。”
看到大家一致反对，魏明帝知道不能再坚持了，下诏让包括曹真在内的各路魏军撤回。
魏军撤退，诸葛亮命魏延和吴壹分别率人马攻击曹魏控制的陇右，魏延和吴壹越过武都郡，向西攻入曹魏南安郡境内，曹魏后将军费曜、雍州刺史郭淮率兵来迎，魏延和吴壹打败了他们，取得了胜利，蜀军随后退回。这是第三北伐获胜后紧接着的又一次胜利，诸葛亮把魏延在丞相府里的职务由丞相司马提升为丞相前军师，并上报后主，将魏延的爵位由亭侯晋为南郑县侯；上报后主擢升吴壹为左将军，由亭侯晋爵为高阳乡侯，魏延留下的丞相司马一职提拔费祎来担任。
有人把阻击曹真这一仗，以及魏延、吴壹主动出击陇右也看成单独的两次北伐，其实这两仗属于同一场战役，这场战役是曹魏一方主动发起，不能算严格意义上的北伐。