永禄四年六月下旬，谦信从关东退兵归来，与此同时，陆奥会津的芦名盛氏和出羽的大宝寺义增的援军来到越后。在同年八月十六日，谦信命
长尾政景为春日山城的留守大将，而谦信亲率一万六千大军向信浓进攻。而另一方面，武田信玄得悉
上杉谦信的攻击信浓消息后，率领一万八千大军援助海津城的防备，向北信浓进发。该战的经过是，在同年九月十日，两军在川中岛爆发激战，上杉谦信占领妻女山为本阵，与武田军的海津城对峙，在九月十日早上，上杉谦信率兵渡过千曲川向八幡原与武田军对决。初时，武田军陷入苦战，但是得到武田别动队的支援，在侧翼攻击上杉军，使上杉军陷入劣势，最后往
善光寺撤退。此战过后，武田军的大将
武田信繁、
山本勘助、
诸角虎定、初鹿野源五郎、油川信连和三枝守直等的有名武将尽皆战死，使武田军元气大伤。