川中岛，在信浓北部的千曲川和犀川汇合处，占据了信浓的要害，是兵家必争之地。在天文二十二年以后，为了恢复投靠了长尾景虎的村上义清的领地，上衫家与武田家进行了五次会战，其中以永禄四年（1561）九月的第四次川中岛之战最为激烈，规模最大。一般有时特指的川中岛之战，就是说这场战役。

第四次川中岛会战兵力共达三万八千（或说三万六千）之众，其中武田家二万，屯与海津城；上衫家一万八千（或说一万六千），三千驻扎在后方的善光寺（是会津的芦名家和羽前的大宝寺家的援军），其余由谦信亲自率领的驻扎在海津城附近的妻女山。上杉谦信出征前表示：目的是武田信玄的人头，他希望以此一战击杀武田信玄，结束武田、上杉之间旷日持久的战事。

双方因为不清楚对方的实力所以都按兵不动。在僵持了一阵之后，是武田家先沉不住气了。信玄征求手下大将意见，在海津城召开军事会议，军师山本勘助主张直接迎击上杉家主力，但不为谨慎的信玄采纳，最后堪助向信玄提议夜袭。山本堪助提出的这种夜袭方法和平时的夜袭有些不同，被后人称为“啄木鸟战法”。啄木鸟在捉树木中的虫子时，会故意在树干的背面敲打，受惊的虫子从洞里逃出的时候就被守在洞口的啄木鸟捉住。山本堪助的战法与此相似。武田军由高坂昌信和马场信房率领的一万二千人绕到妻女山后方奇袭上衫军，而信玄亲率八千人在妻女山前八幡原布阵，意图等候那只被昌信赶出树洞的“虫子”。

但是号称军神的上衫谦信识破了这个计划，把全军开进八幡原，但却留下数个部队来防守妻女山各隘囗，以拖延信房部队越过妻女山。

九月十日凌晨，大雾。当高坂昌信冲到妻女山时，却发现那儿根本没有一个人。而天亮后，大雾散开，在武田信玄面前已是袭来的一万二千上衫军。信玄立刻传令各部队坚守阵地，不准擅自移动。 上衫谦信以车悬之阵对武田信玄的鹤翼阵，双方军队激战了一个时辰后，谦信的军队无法突破武田军的防守。但是谦信看到武田军右翼义信防守的队伍不稳，便令将领攻其右翼后再诈退。义信果然中计，追击敌军反而陷入重围。诸角虎定为救少主心切，率军出阵地掩护义信撤退，虎定攻破谦信包围网一角，使得义信得以杀出重围而退回阵地，但是虎定反受包围，不到一刻钟便全军遭受歼灭，诸角虎定战死。在人数上的优势使上衫军占尽优势，武田信繁阵守的本阵前方面对谦信一波波排山倒海的攻势死力防守，连续十一波的猛烈攻势都被挡住。谦信眼见信玄的本阵就在眼前，却迟迟攻不进去，大怒之下命令安田长秀、柿崎景家不计任何代价必定要杀入主阵，谦信亲自押阵，必要时谦信也准备亲自上阵。就在谦信军队猛攻之下，信繁的军队全军覆没，信繁本人也惨烈战死。山本堪助自知罪孽深重，死力防守本阵战死。但是另据传说，身为信玄家的忍者头目，勘助亲自出动搜集敌情资料，他来到妻女山后，却发现上杉军早已不在妻女山，勘助惊觉中计，急忙要回本阵报告信玄，路上却遭遇谦信军队伏击，最后勘助虽然逃脱，不过却已身受重伤，奄奄一息。后来被士兵救回来，传达谦信已下山的消息后逝去的。危急之刻，武田家突击队从妻女山火速赶来，突破了千曲川沿岸的上衫军的后备队进入主战场，上衫军陷入劣势。谦信大惊，部将都劝谦信撤退，但谦信知道只要一退却，士气一溃散，再受夹击必定会全军覆没。因此谦信便集中所有兵力，通知全军信玄本阵已被突破，命令全军直攻中央。上杉军士气大振，人人向前。传说谦信领兵直冲信玄本阵，到了本阵，谦信见到一大将装束的人(此人便是信玄)，就挥刀直砍，信玄大惊，急忙以军扇挡格，结果上杉的刀砍断军扇，砍到武田的肩上，幸亏武田身披重甲，才只是受了点伤，此后左右兵士急忙护卫。利用武田军一阵混乱，谦信早已扬长而去。因此谦信的军队巧妙的避过了前后夹击。谦信下令全军向善光寺撤退。武田军用极其惨痛的牺牲换来了微小的胜利。

以此场战役而论，上衫谦信的确是个非常厉害的武将。他在武田突击队到来之前识破了对方的计谋。相传谦信每天都观察海津方向武田军的做饭时间，那天发现武田家做饭时间提前了很多，于是才断定对方必夜袭。而武田军似乎有些轻急冒进，在突袭的时候派出比自己本阵还多的突击队实在不是用兵的正法。在以后的战役中，信玄吸收了这样的教训，没有再出现过比这次更重大的错误。而动摇了武田军的义信，也因为这件事情而被父亲疏远，最后落得谋反自杀的下场。

上杉军死亡三千四百人，负伤六千人；而武田军死亡四千五百人，负伤一万三千人，并折损山本堪助、诸角虎定和武田信繁三员大将，特别是武田信繁、山本堪助的死，对武田家而言，是一个极大的损失。