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上杉谦信一直在观察武田军的动向，如此大规模的兵力调动自然瞒不过他的眼睛并且他敏锐地意识到了武田军的真实意图。
于是上杉谦信命令全军偃旗息鼓，人衔枚马裹蹄，下了妻女山并在夜色掩护下渡过千曲川。
除了留下1000人看守渡口以防备武田的机动部队外，上杉军的主力悉数抵达八幡原。
当第二天的晨雾渐渐散去时坐镇本阵的武田信玄赫然发现：
上杉军并不是被自己的机动部队赶进了自己布好的口袋，而是面对面出现在自己的本阵前。
这下武田军上至将领下至士兵一片愕然——他们知道“啄木鸟战术”失败了。
这时上杉家的猛将柿崎景家为先锋排出“车悬”之阵——各部队配置成车轮状轮番攻击。
久经沙场的武田信玄面对这样的突发情况果断下令部队呈鹤翼阵型展开，从两翼包围上去迎战。
此时上杉的主力部队占有数量优势，又占了突袭的便宜，激战之中信玄的弟弟武田信繁、猛将诸角虎定等人阵亡。
另一方面高坂昌信等人率领的机动部队到达妻女山后发现扑了空，他们当然知道上杉军一定是摆脱了自己前去和武田本阵交锋了，于是他们拼命突破了上杉军留在渡口的1000后备部队，于午时赶到八幡原配合本阵与上杉军战斗。
认为自己该对“啄木鸟战术”失败负责的山本勘助身先士卒冲入敌阵，最终战死沙场。
战况最激烈之时上杉谦信单枪匹马冲入武田阵中挥刀砍向武田信玄，信玄用手中的军扇挡住了谦信的刀，但还是被谦信砍伤。
当天黄昏时分双方各自撤兵，尽管相比前几次较量这次的确足够激烈，但最终仍是各自退兵，谁也没能歼灭对方，第四次川中岛合战结束。
战后双方都宣称自己是战胜者，后来统一日本的丰臣秀吉甚至点评此战声称：
“上半场上杉胜；下半场武田胜”。
综合看来：
尽管最终此战仍是以双方各自退兵告终，但考虑到武田军高级将领大量阵亡的客观现实还是只能说上杉略占上风。
武田军之所以在此战中落于下风主要是因为“啄木鸟战术”的失败——事实上敌人永远不可能按自己事先设定好的计划行动，然而武田军却没对可能出现的战场突发情况准备第二套预案。
永禄七年武田与上杉在川中岛进行了最后一次对