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决：
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