这第四次的川中岛合战，根据通行版本，双方列阵已毕，大战旋即爆发。激战之中，信玄的嫡长子武田义信误中政虎诱敌之计，不顾全局而贸然进击，结果身陷重围，导致武田军阵形出现波动。至于此前提出“啄木鸟战法”的那位军师山本勘助，据说因为自己的献策而导致全军陷于被动，自觉难辞其咎，于是不顾自己身有残疾——按一般的说法，勘助是位跛足独目的大将——冲入上杉军中浴血厮杀，战死在八幡原的战场之上。只是山本勘助虽然奋战至死，形势也依然未能朝向有利于武田军的方向发生转变。在上杉军势不可挡的攻势面前，武田军大将如诸角虎定、初鹿野源五郎等人相继战死，就连信玄的亲弟弟、在家中被誉作“才略不在信玄之下”的武田信繁，也为了保卫本阵而不幸阵亡。信玄闻讯，终于情难自禁，抱着众人抢救回来的信繁遗体失声痛哭。战局到了这时候，武田军距离全线崩溃，仅有一步之遥了。
最终救了信玄的，还是早前由高坂昌信所率领的那支武田军别动队。昌信率众迂回到妻女山后，费尽周折登上山头，发现自己扑了个空，情知事情不妙，于是急忙朝向八幡原赶去。但就在千曲川畔，他们却受到了上杉家臣甘糟正重麾下一千将士的顽强阻截——此是政虎为了拖延时间，争取主动，而事先布下的一枚棋子。这位甘糟正重虽然兵微将寡，也是明知重任在肩，沿河据守，硬是死命抵挡了半晌。等到昌信成功渡河、最终赶到八幡原完成对政虎的合围，已经是这天午间的十二时左右了。武田援军的到来使得战局就此陡转直下，上杉军遭敌首尾夹攻，阵势支撑不住，唯有急速撤退，才能保证大军不致陷入被敌人全面围歼的境地。
正在前线指挥进击的上杉政虎闻悉身后高坂昌信已至，不由得仰天发出一声长叹。只是他仍旧不肯就此罢休。据说，当时政虎催动战马，单骑直入武田本阵，一路所向披靡，瞬间便杀到了武田信玄本人跟前。正坐在折凳上沉吟的信玄猝不及防，眼看得政虎手起刀落，慌乱中只能抬起指挥大军作战的军扇来抵挡。政虎照着信玄连砍三刀，斩断军扇不说，其中一刀更是砍在了信玄的肩膀上。四下守御本阵的武田亲兵这时终于回过神来，一拥而上将信玄团团围住。政虎再斩不得，径直勒马转向己方阵营，翩翩然绝尘而去。“流星光底长蛇逸”，两人一生中真正的正面相逢，就以这样的方式宣告了终结。
然而，上杉政虎与武田信玄，究竟谁才是这场战事的胜利者，在此后却又引起了广泛的争议。首先，从伤亡统计上来看，截止到当天下午四时，武田军停止对上杉军的追击，两方各自收兵清点，武田军战死者约四千余人，更有山本勘助、武田信繁等一干大将，损失明显高于上杉军的三千人，就这一点而言，似乎是上杉军取得了胜利。但不容忽视的一点是，武田军最终还是完成了对上杉军的合围，并迫使后者退却，进而据有几乎整个北信浓，从这个角度来看，又似乎是武田军取得了胜利。于是，后人便有了“政虎在战术上获胜，信玄在战略上获胜”这样的折中评价。
但无论如何，是役之惨烈空前，即使放诸整个战国时代，亦属罕见，也正是政虎用兵之刚猛的有力写照。后来跟随江户幕府的开创者德川家康参与大坂战役的上杉家臣杉原常陆，便在因奋战而获幕府感状（对武士战绩的褒奖文书）时不屑一顾地说：“我等当年追随谦信公，历大小战事不计其数，其酷烈无以复加，纵然是不期生还的恶战，也未足得一感状。如今之战，有如小儿投石打闹，仿佛赏花游玩般轻松，却也获得了这样的褒奖。”
川中岛血战后，上杉政虎稍事休整，又马不停蹄地再度进击关东，同武田、北条两家在关东平原上杀作一团。而此前被政虎拿扇子打了脸的那位成田长泰，这回可不管他什么关东管领了，纠合起一班人马投向了北条一方。政虎长于用兵却短于政略的弱点，终于在信玄和氏康这对老狐狸跟前显露无遗。两人虽然在战场上拿政虎没办法，但总能在战场以外获取更多的利益，上杉家中因为他们的利诱而发生叛乱更是此起彼伏。政虎几经转战，终于徒劳无功，最终不过保有了上野国的东部及北信浓的北部地区。最大的收获，大约仅是在这年的十二月间，幕府将军足利义辉出于对他在与“逆臣”的奋战中所表现出的忠勇的肯定，赐予了他一个“辉”字的名号，政虎于是又改名作了上杉辉虎。
永禄五年（1562年）七月，辉虎挥兵攻入越后西南的邻国越中，镇压了在武田家的支持下长期与自己保持敌对姿态的神保长职。随后，永禄七年（1564年），北信浓西面的邻国飞驒发生内战，支持三木氏的辉虎与支持江马氏的信玄再度发生冲突，为了防止信玄入侵飞驒，辉虎于八月间在川中岛布阵以为牵制——第五次川中岛合战就此爆发。
不过双雄在经历过第四次合战的教训后，终于又回到了此前的老路上，在没什么明显战机的情况下，对峙了大约两个月左右的时间，于十月初各自鸣金收兵。从此以后，越后上杉家和甲斐武田家，因为各自的战略重心转移，便再也没有在川中岛地区发生过大规模的军事对抗了。
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