平定南中极大地增加了诸葛亮的个人威望，那些曾经怀疑过他的人也不得不佩服诸葛亮的才能，不仅有文韬，而且有武略。诸葛亮也一直牢记先帝临终前的嘱托，南征归来后不敢停歇，立即着手加强军事准备，等待时机发动更大规模的军事行动。
在诸葛亮早年为刘备制定的战略规划中，时机是非常重要的，对于如何北伐曹魏，隆中对策共讲了三个要点：一是率益州方面的主力由汉中出关中；二是率荆州方面主力北上直捣宛县、洛阳；三是等待曹魏内部出现问题。诸葛亮认为，相对弱小的蜀汉要想战胜曹魏必须同时满足以上三个条件，只有这样霸业才能成就、汉室才能复兴。本来形势一片大好，三个条件逐渐成熟，但荆州丢失后情况又发生了变化，有一个重要的条件已经难以实现了。
但这并不意味着统一大业不能成功，只是成功的难度更大了，而时机的作用也格外重要了，所谓“天下有变”，可以是曹魏统治区内发生了大规模叛乱，也可以是曹魏发生了宫廷政变，到那时就可趁乱出击，事半功倍。
现在曹丕死了，一个毫无政治经验的新人上位，是不是一次时机呢？这也许还算不上“天下有变”，但已经是难得的机遇了，诸葛亮决心抓住。南中之战消耗了蜀汉一定的军力，本应再多等一阵，好好恢复一下国力，但诸葛亮觉得不能坐等，必须抓紧北伐的进程，所以曹丕死后只过了半年左右他就决定行动了。
蜀汉建兴五年（227）3月，诸葛亮上表请求出兵伐魏。
这份奏表就是著名的《出师表》，也称《前出师表》，在这份奏表里，诸葛亮首先阐述了北伐的动机和意义，他提出北伐是先帝的遗志，是先帝未竟的事业，作为继承者和后来者必须坚决完成，蜀汉上下，无论文臣武将大家也有这个决心和意志。接着诸葛亮针对后主年轻、主政经验可能不足提出了一些劝谏，对自己率军离开成都后的一些具体事项进行了必要的安排，诸葛亮特意谈到了“宫中”和“府中”，这是一个敏感问题，涉及“皇权”和“相权”，诸葛亮没有回避，作为托孤大臣他没有因为别人的议论而缩手缩脚、遮遮掩掩，而是正面提出了如何处理好二者的关系。
作为自己离开成都后的重要安排，诸葛亮特别向后主推荐了几个人，包括政务方面的郭攸之、费祎、董允，军务方面的向宠，诸葛亮告诉后主遇到问题可以多向他们征询意见。诸葛亮请后主要亲贤远佞，他说郭攸之、费祎以及尚书陈震、长史张裔、参军蒋琬等人都坚贞可靠，是可以信赖的人。最后诸葛亮还表明了自己的心迹，说自己誓将先主遗志完成到底。出师北伐不是平定南中那么简单，无疑将要冒着极大的风险，诸葛亮不顾这些坚持劳师远征，没有强大的精神力量为支撑是无法办到的。
诸葛亮的精神力量来自对先帝遗志的继承，为完成刘备临终前的嘱托，诸葛亮不计个人得失，不辞辛劳、一往无前，作为托孤大臣他深知自己肩上的重担，除了立志北伐、完成兴复汉室的大业外他还不避闲言，用了大量篇幅对后主进行劝谏，晓之以理、动之以情，没有矫饰、没有虚伪，忠心可鉴。
虽然只是一篇公文，篇幅也不到700字，但里面的内容却很丰富，写得深沉、诚挚、亲切而流畅，既是一篇不可多得的优秀文章，也是诸葛亮政治理想和政治理念的集中表达，深为后世所推崇。在有限的篇幅里诸葛亮先后十三次提到“先帝”，七次提到“陛下”，“报先帝”“忠陛下”贯穿全文，处处不忘先帝“遗德”“遗诏”，处处为后主着想，期望他成就先帝未竟的大业，没有华丽的辞藻，没有深奥的典故，所言既不失臣子的身份，也切合长辈的口吻，平实中见忠贞，平淡中见真情。
孙策死时把年仅18岁的孙权当面托付给张昭，张昭相当于孙吴的“托孤大臣”；刘备死时把刘禅托付给诸葛亮，刘禅那一年也17岁了。论接班时的年龄，刘禅与孙权差不多，但结果就差得太远了。
孙权接班后迅速控制了局面，不仅外部把事业越搞越大，在内部也很快站住了脚，大权独揽、说一不二，张昭“托孤大臣”的作用反倒被淡化了，甚至有被孙权排挤出核心权力之外的趋向。刘禅接班后却成了人们心目中的“傀儡皇帝”，成为诸葛亮的影子，诸葛亮掌握了蜀汉军政大权，丞相府远重于皇宫，“府中”的实际影响力远高于“宫中”。
有人说张昭比诸葛亮老实，人家让他辅佐他就老老实实去辅佐，没有别的想法；有人说诸葛亮的野心比张昭大，他利用刘禅的软弱和无能不断培植自己的势力，逐渐把刘禅架空了。
有这些看法很大程度上不了解当时的具体情况，在当时情况下，弱国蜀汉需要的是一位强势领导人，只有在强人的带领下才能自保和发展，这一点与孙策死时的情况也相同，不同的是刘禅不是强人也无法很快培养成强人而孙权可以，所以两次托孤才有不同的结果。
诸葛亮用权、集权是事实，但用权不等于篡权、夺权，集权也不等于霸权，权力本身无所谓正当与否，关键要看用权力来做什么。
如果诸葛亮的着眼点只是权力本身，他就不会拿权力来冒险，征南中也就用不着亲自去，更不必着急北伐，他甚至在接到曹魏的“劝降”后可以考虑跟他们谈谈条件，像孙权受领曹魏吴王那样去领一顶“蜀王”的王冠，既避免劳师远征的艰辛，又不必担心失败带给个人的风险。诸葛亮没有这么做，因为他集权的目的是完成先帝的遗愿。
无论征南中还是北伐，都需要倾尽蜀汉全部国力才行，必须上下一心，思想上、行动上保持高度一致，必须形成一个强有力的权力核心，在权力结构上不可能既强化丞相府又保证皇宫的传统权力，那样势必导致两个核心的出现。
所以“宫中”“府中”必须成为一体，尤其在诸葛亮离开成都后，也必须保证这种格局的稳定，这是北伐成功的最大前提。
蜀汉建兴五年（227）3月，诸葛亮率蜀军主力到达汉中。
这是诸葛亮第一次来到秦岭与巴山之间的这块平原，这里曾是汉高祖刘邦发迹的地方，是汉朝的“龙兴之地”，蜀汉以“汉”为国号，这里也是蜀汉的圣地。当时汉中虽然称为汉中都督区，但武都郡此时还在曹魏控制之下，都督区所辖主要是汉中一郡，魏延以镇北将军、汉中都督兼汉中郡太守的身份在此已驻守了七年。
这些年来，蜀汉的战事主要集中在东线和南线，北线倒相安无事，这也得益于魏延驻守有功。当年魏延向刘备夸下海口，敌人大军如果来攻汉中，他不仅“能拒”而且“能吞”，实际上他也做到了，他的做法就是在汉中盆地外围大量修筑坚固的军事堡垒，派遣重兵分别把守，把敌人拒之门外。
这些堡垒称为“围”，汉中被群山所环绕，缺点是没有战略纵深，敌人来攻时无法做大范围的穿插和机动，但优点是利于修筑工事以防御，本地又多土木石料，修筑这些堡垒也不太费事。
魏延镇守汉中以来修建了大量的“围”，重要的至少有三处。一是阳平关，这是汉中西边的门户，自古以来都是叩开汉中大门的锁钥，曹操和刘备取汉中都经过此处，张鲁在时阳平关已有相当规模，但经过几场大战，关隘遭到破坏，魏延对阳平关进行了重新修筑和加固。
另一处是黄金戍，此地在汉中盆地的最东边，与阳平关左右对称，是汉中东边的门户，控制着汉水上的黄金峡。汉中向东就是孟达驻守的新城郡，此时是曹魏的控制区，守住黄金峡可防魏军溯汉水逆攻汉中。
还有一处是兴势围，依兴势山而筑，位于黄金戍以西，既可作为黄金戍的第二道防线，又可控制秦岭三大栈道之一的傥骆道，防备敌军突然从栈道中杀出偷袭，此处要塞最早为魏延所修，后来果然在防备魏军出击傥骆道中发挥了重要作用，在此曾发生过著名的兴势之战。
除了这些大的堡垒，遍布汉中盆地四周还有许多较小的“围”，利用这些“围”所构筑的防守体系，魏延实现了他当初的承诺。
魏延当时驻守在南郑，即今陕西省南郑县，这里是汉中的中心。
诸葛亮到达汉中后却没有入驻南郑，而是将主力屯扎在阳平关、石马山一带，让大军在此集结休整。
推测起来，诸葛亮带到汉中来的有十万人左右，这是战斗部队，除了他们还得调动大批人员负责军粮等物资的供应运输。汉中与成都之间隔着巴山，道路崎岖难行，运输更是个大问题，为此次北伐诸葛亮组建了庞大的运输队伍，除了征调百姓参与外，还要求官员子弟带头参加，其中就包括诸葛亮的养子诸葛乔。
此次北伐前，诸葛亮再派费祎出访孙吴，除增进双方友好之外不排除协商双方联合军事行动的可能。诸葛亮进驻汉中后，孙权又继续派兵袭扰曹魏南线、东线两个战场，孙权手下的将领周鲂在一次行动中还生擒了曹魏的将领彭绮，这些都让曹魏不能抽调出太多的兵马到西线战场来，孙权的行动确实支援了诸葛亮北伐。
诸葛亮下一步的进攻目标虽然是关中，但位于侧翼的凉州地位显然很重要，所以诸葛亮在汉中做出了一项重要人事安排，任命魏延为凉州刺史，同时兼任丞相司马。丞相府司马相当于丞相府里的长史，它们都类似于秘书长，只是一个掌武、一个掌文。表面上看这是一个奇怪的任命，因为魏延已官至镇北将军，品秩介于三公与九卿之间，是大军区司令，相当于上将军衔，而丞相司马的品秩只有千石，又是属吏，算是个大校吧。上将干了大校的活，所以有人认为诸葛亮把魏延降级了。
其实这是误解，司马一职虽然品秩不高但职责很重要，负责协调丞相府里与军事有关的所有事务，也可以说是丞相府内所有武职的总牵头人，是诸葛亮在军事方面的第一助手，诸葛亮觉得这个岗位只有魏延担任最合适，这是对魏延的器重和信任。
而且也不存在贬降问题，因为任命魏延为丞相司马后并没有免除他镇北将军职务的记载，兼任凉州刺史后也没有免除他原任的汉中郡太守一职，魏延的丞相司马、凉州刺史都是兼职（领丞相司马、凉州刺史）。