第四次包围了箕轮城。信玄吸取了上次的教训，并未硬攻箕轮城，而是围而不打。相峙半月，城中粮仓见底。长野业正见状，抬出了所藏美酒与诸将士共饮。数杯之后，众人皆微有醉意，业正起身，道：“敌军围城已半月有余，况隆冬大雪，其士气必然大落，全军随吾杀出城去，大破敌兵！”
“咔吱吱”一声大响，箕轮城的大门被打开，守军乘醉向武田军发动狂攻。信玄猝不及防，再次败在箕轮城下。与此同时，安中城城代 安中忠政 按业正之计，切断了武田军粮道。信玄无奈，只得再次退兵。同年三月，景虎在椎名康胤的协助下，攻陷良春的富山城（今富山巿）和增山城（今砺波巿），将良春追放。
第十九回 八幡宫谦信领关东 川中岛信玄兴鏖战
霜满军营秋气清，数行过雁月三更。
越山并得能州景，遮莫家乡忆远征。
—— 上杉谦信《九月十三夜阵中作》
永禄三年（1560）八月，长尾景虎在上杉宪政和佐竹义昭的请求下，往关东出兵，进攻北条氏，并写信予留守春日山城的长尾政景：“寡人欲进兵关东，兹令公固守春日山，静观甲州动向，如遇事紧急，可寻信浓诸家协助。”同时，饭山城的高梨政赖也协助长尾氏监视武田军。景虎攻陷上野的沼田城（今群马县沼田巿）后，在厩桥城（今前桥巿）驻守。北条氏康进驻武藏的松山城（今埼玉县比企郡吉见町），并向武田信玄求助，以牵制景虎。于是，信玄于九月率兵由信浓出发，在佐久郡松原社（位于今小海町）发出誓文：“愿诸神庇佑，十日内攻陷敌城。”随后，武田军在川中岛建筑新据点海津城（今长野巿松代町松代城），并由高坂昌信守备。
信玄正室三条夫人的妹婿是石山本愿寺的法主本愿寺显如，信玄利用这层关系写信给显如道：“吾军已进驻川中岛，请妹婿策动加贺、越中一向宗门徒，袭扰越后。”同年十月十七，信玄又写信予越中井波的瑞泉寺（位于今富山县东砺波郡井波町）执事 上田藤左卫门，请他与榊保良春合作，命其一向宗门徒袭扰越后。在景虎祖父长尾能景统治越后时期，不断压制一向宗，并将其门徒追放到越中一带。因此，加贺、能登和越中的一向宗门徒视长尾氏为仇敌，于是掀起了巨大骚乱。
永禄四年（1561）二月，景虎命直江实纲从越后调兵支援本队，并于三月包围了北条氏本城小田原城，而北条氏康依靠坚城，笼城固守。信玄为牵制长尾军，号召北信浓豪强集结在海津城，并应氏康要求，派出援军奔赴小田原城。景虎因攻城不下，又有武田援军，便移军至镰仓。
闰三月十六，在鹤冈八幡宫神社前，景虎就任关东管领，行袭名仪式，成为上杉宪政养子，正式使用上杉姓氏，又受上杉宪政偏讳，改名上杉政虎。后来，他出家，法名谦信，或称为上杉谦信。四月，武田军越过碓冰峠，进驻上野的松井田城，以借宿为名，焚烧城下町进行扰乱，以牵制上杉军（即以前的长尾军）。
六月下旬，谦信归兵越后，与此同时，陆奥会津郡的芦名盛氏和出羽（今山形县及秋田县，但不包含秋田县东北部的鹿角市和小坂町，又称羽州）的 大宝寺义增 派援军来到越后，支援谦信。八月十四，谦信命长尾政景统兵二万留守春日山城，亲提大军一万六向信浓进攻。翌日，谦信到达善光寺，并留兵三千作后备，主力则继续南下，来到川中岛发现武田主力未到，仅有海津城高坂昌信的二千兵防备。十六日，谦信在川中岛南部、海津城附近的妻女山扎营，引诱武田军围山，以进行主力决战。
信玄得悉谦信攻击信浓的消息后，十八日由甲斐出兵，路经信浓，并等待信浓诸将参阵，因而耽误了行军。六天后，即廿四日，信玄率兵一万八千人到达川中岛。此时，探马来报：“主公，上杉军本队于妻女山顶扎营。”，“妻女山？死地也！”信玄思量道。众将皆主张武田军应开往海津城，合兵后包围妻女山。“上杉军驻扎死地，恐其有诈，不可轻动。吾军于茶臼山布阵，与海津夹击之。”信玄道，于是武田军在西北方离妻女山较远的茶臼山布阵，与海津城形成犄角之势，同时也切断了上杉军的归路。
两军在千曲川两岸对峙，众家臣向谦信进言：“两军虽可谓势均力敌，然吾军兵力略逊于甲州，请主公调春日山留守之兵加以支援。”而谦信道：“诸公莫慌，寡人自有主张。”言罢，他手击小鼓，口唱词歌，一派悠然自得的样子。“敌不动，吾亦不动。”信玄也按兵不动，密切注意敌军动向。自廿四日以来，双方皆无行动，谦信终日把酒欢歌，信玄则静观其变，一如蟠龙入渊，一如猛虎在林，不动则已，动则定会撼天动地。
如此僵持下去，终非长久之计。信玄决定抛砖引玉，采用“移营之计”。廿九日，信玄率军撤离茶臼山，渡过千曲川，往海津城移动，欲引诱谦信出兵。虽然退路已开，但上杉军却毫无行动，两军再次陷入胶著。由对峙至今，两军从未交锋，进入九月，谦信在妻女山布阵已二十余日，不知道他葫芦里卖的什么药。
九月初九重阳节，信玄于海津城召开军议：“两军对峙已二十余日，敌始终按兵不动。如此相持下去，恐吾军粮草耗尽，士气低落，此次出兵功亏一篑，如之奈何？”军师山本勘助道：“主公莫忧，臣有一计，可破上杉。”“有何计策？军师快快道来。”“吾军可分兵两路，二番队统兵一万二，迂回行军，袭上杉侧背。未见主公出阵，谦信必心生疑虑，定会退而不战。臣料想其必避而下山，主公自领本队八千，埋伏于其必经之路——八幡原，前后夹击之，谦信可擒矣，此计正如啄木鸟啄树取虫之法。”
啄木鸟在捉虫时，首先在树干一侧凿开一洞，然后再飞到对面用喙敲击树干。虫子听到敲击之声，受到惊吓，便想逃出大树。从哪里逃走呢？嗯，那处洞口正好给它逃脱的道路。可是，当虫子从洞口逃出来，正想松一口气时，啄木鸟早就等在那里了，一顿丰盛的午餐啊。山本勘助所献之计，和这个道理相同，故而此计也得名“啄木鸟战法”，受到日本后世的极力推崇。
信玄闻之大喜，以马场信房、高坂昌信、饭富虎昌、真田幸隆四将统领二番队，自领本队于八幡原埋伏。当日深夜，武田军埋锅造饭，着手准备。午夜零时，二番队从海津城出发南进，并于途中右转袭击上杉军侧背。凌晨四时，信玄率本队从海津城出发，经广濑，渡千曲川，往八幡原一路挺进。
九月初十，清晨七时半，川中岛一带大雾弥漫，伸手不见五指，信玄正急切等待着妻女山方向的动静。忽听马踏銮铃，人喊马嘶之声，信玄猜测：“此队是吾方还是敌方？或许吾方多于敌方？”（记于《甲越信战录》）浓雾中军队隐约显现，只见当头一面大旗，上书斗大一个“毘”字，乃是从妻女山撤下的上杉军，可是未见二番队的踪影，信玄顿时脸色苍白。原来，初九黄昏，谦信在妻女山遥望海津城，只见炊烟袅袅，却全城肃然，料到武田军当夜必有行动。于是，谦信命甘粕景持领一千人留守妻女山，自己亲率本队一万两千人抢先下山，夜渡千曲川，于黎明时分赶到八幡原。
信玄忙以鱼鳞阵应敌，谦信则布以车悬阵，他将部队分为多支分队，轮流攻击武田军，令武田军攻守皆难。武田军的山县昌景所部被上杉军的柿崎景家三百人击破，节节败退。谦信见武田军右翼防守不稳，便命军队佯攻之而后诈败。武田军右翼的信玄嫡子武田义信果然中计，率部追击敌军，却反受包围。武田信繁见少主被围，抱着必死的决心大声呼喊，以图吸引敌军，上杉军也有士兵认出了信繁，因此多支分队转而进攻信繁所部。八十一岁高龄的诸角虎定营救少主心切，率军攻破义信包围圈的一角，使义信得以杀出重围。信繁身先士卒，抵挡上杉军，虽将敌军攻势逐一击破，但上杉军轮番进攻，将其渐渐包围。最后，信繁被敌军讨杀，时年三十七岁。闻听信繁阵亡，诸角虎定率部杀入敌阵，遭上杉军合击。虎定身穿大铠，头带火焰盔，手持长枪于敌阵中左突右杀，讨取首级二十三颗后，壮烈阵亡。
此时，信玄鼓舞士气道：“诸将必抱决死之心，待二番队赶到，便可夹击敌军。”他自己却暗自心想：“二番队为何迟迟不来？莫非有何变动？”就在这时，信繁和虎定阵亡的消息传到，信玄悲痛不已。军师山本勘助自责此败乃是“啄木鸟战法”所致，令武田氏痛失猛将、全军陷入苦战，他欲以死明志，承担此战失利之责。原昌胤察觉到勘助之心，加以劝阻，但勘助并不理会，策骑杀入敌阵。不久，勘助被敌军包围，斩杀敌方十三骑、伤七骑后终被讨杀。
武田本队在八幡原与上杉军激战之时，二番队于妻女山遭甘粕景持所部阻挡，延迟了夹击计划。二番队听到八幡原方向传来的干戈之声，奋力突破甘粕景持所部的抵抗，向八幡原进发。武田本队此时渐渐不敌，难以为继。大约在午前十时至十一时之间，二番队终于赶到，武田本队士气复振，全力反扑，在相继损失大将 初鹿野忠次、油川彦三郎信连、安间弘家 和 三枝守直 后，终于反击成功。
上杉军腹背受敌，只得暂且停止进攻，谦信决意往川中岛北部善光寺坪方向撤退。部署完退兵计划后，谦信单骑闯入敌阵，直捣武田本队，所向披靡，无人可挡。此时，信玄正端坐折凳之上，手持军配团扇（军配：指示军队布阵、进退、发出指令的道具，虽然没有严格的规定，但通常是大名或总大将使用军配，而军师、武将会使用级别较低的采配）指挥军队，忽见飞来一将，头裹白娟，手持太刀，转眼间杀到面前。谦信！此将乃是谦信！未等信玄反应明了，谦信奋起一刀劈头砍来，此时拔刀已然不及，信玄顺势举起军配抵挡，虽挡过此刀，但军配被太刀砍断。谦信见一刀不成，再挥一刀，信玄手无寸铁，躲闪不及，被一刀砍中肩头，但未受重伤。见信玄受伤，谦信又起一刀，谁知从旁边伸出一支长枪，将其太刀格住。原来，信玄卫队见主公被袭，蜂拥而来，并挡住了这第三刀。此时，谦信战马被一枪刺中三叉骨。只听一声长啸，战马前腿跃起，眼看就要摔倒，谦信使劲勒住缰绳，将坐骑制住。谦信仰天大笑，纵马突出敌阵，来去如入无人之境，武田士兵皆瞠目不已。武田军因主公负伤而没有追击，上杉军因此平安退出战场，第四次川中岛合战也由此结束。
此役，武田军被讨杀者四千六百三十名，负伤者九千五百名，上杉军被讨杀者三千四百七十名，负伤者九千四百名。两军虽然兵力损失相当，但武田氏多员猛将能臣阵亡，实属可惜，第四次川中岛合战是战国史上最激烈和悲壮的战争之一。谦信砍信玄三刀的典故在日本广为流传，很多描写此次战斗的影视作品也常把这一段作为高潮部分和压轴大戏。
永禄五年（1562），信玄与北条氏康联手反击上野、武藏的上杉氏势力。隆冬之季，冰封犀川以北，令正在围攻下野国佐野城（今杤木县佐野巿）的谦信等待雪融后才