刘禅听了诸葛亮的话，心中稍安，便任命诸葛亮为南征大军的统帅，率军南征。
诸葛亮率领大军从成都出发，兵分三路，分别进攻朱褒、高定和孟获。西路军由诸葛亮亲自率领，进攻越嶲郡；东路军由马忠率领，进攻牂牁郡；中路军由李恢率领，进攻建宁郡。
西路军一路上势如破竹，很快就抵达了越嶲郡。高定率领叛军顽强抵抗，但蜀军装备精良，训练有素，叛军根本不是对手。高定见大势已去，便率领残部逃往南中腹地。诸葛亮率军追击，在途中俘虏了高定的妻子和儿女。高定得知后，走投无路，只好向诸葛亮投降。
东路军在马忠的率领下，也顺利地攻占了牂牁郡，杀死了朱褒。中路军在李恢的率领下，遭遇了孟获的主力部队。孟获骁勇善战，手下的士兵也都是能征善战的彝族勇士，李恢一时难以取胜。
诸葛亮得知中路军受挫的消息后，便率军前往支援。他抵达建宁郡后，仔细观察了孟获的军营，发现孟获的军营依山傍水，易守难攻。诸葛亮深知，硬攻必然会造成大量的伤亡，于是他决定采用攻心之计，收服孟获。
诸葛亮派人向孟获下战书，约定次日决战。孟获欣然应允，他认为自己手下的士兵勇猛善战，一定能够打败蜀军。第二天，两军在一个开阔的平原上展开了决战。蜀军先是佯装败退，引诱孟获率军追击。孟获不知是计，率领叛军奋力追赶，结果陷入了蜀军的包围圈。蜀军四面出击，叛军顿时溃不成军，孟获也被蜀军俘虏。
诸葛亮亲自为孟获松绑，并设宴款待他。席间，诸葛亮对孟获说：“如今南中叛乱已平，你若愿意归降蜀汉，我便奏请陛下，任命你为南中地区的长官，继续管理你的部众。”
孟获却不服气地说：“我这次是因为中了你的埋伏才被俘虏的，并非真的战败。如果你有本事，就放我回去，我再与你决一胜负。若我再被你俘虏，我便心甘情愿地归降。”
诸葛亮听了孟获的话，微微一笑，说：“好，我就放你回去。咱们来日再战。”
孟获回到自己的军营后，重新集结兵力，准备与诸葛亮再次决战。然而，他每次都因为计谋不如诸葛亮而被俘虏。就这样，诸葛亮先后七次俘虏孟获，又七次将他放回去。
第七次被俘虏时，孟获终于心悦诚服地对诸葛亮说：“丞相真是神机妙算，我孟获口服心服。从今以后，我南中地区的各族人民，都愿意归降蜀汉，再也不发动叛乱了。”
诸葛亮见孟获真心归降，心中十分高兴，便任命孟获为御史中