弘治三年（公元1558年）二月，準備了一年的信玄繼續向北信濃進軍。話說武田軍的軍旗上總寫著“風林火山”四個大字，意思是“疾如風、徐如林、侵略如火、不動如山。”（這四字真言本出自《孫子兵法》）當時即便大雪封路，也阻止不了武田軍們開路的勇猛士氣，以疾如風的速度殺到了葛尾城，這是一次成功的“閃電戰”。上杉謙信傻眼了！同年四月，上杉謙信終於將手下的一萬人馬帶到了前線，但足足晚了兩個月！
兩軍決戰就這麼開始了！
來吧，單挑！
上杉謙信不愧是戰術大師，雖然行軍晚了兩個月，卻依然淡定地運籌帷幄之中。他不著急動手，而是先仔細觀察地形和軍情，這一觀察就是一個月。他發現雖然武田聲勢浩大，但是部隊過於分散，其重地高阪城孤立無援，可以當做一個突破口。五月十二日，上杉軍先是圍住高阪，切斷水源後開始火攻，一時間城內死傷無數。第二天，向高阪的兩個犄角進發，切斷他們的聯係。武田被打了個措手不及，兵力沒法集中，隻能眼睜睜地看著被上杉各個擊破。士氣大振的上杉回頭又拿下了飯山城，五天攻取四城，收獲顯著，頓時占據了上風。但武田信玄的總體實力畢竟優於對方，又頗具實戰經驗，馬上集結兩萬人馬，抄到上杉君的側後，完全切斷了上杉的後援。這時的上杉隻有一萬人馬，隻能先向後撤退，重新打通補給線，雙方重又進入守勢階段。
這樣的守勢僵持了整整三年，永祿四年（1561年）八月，上杉謙信一反常態，率領將近兩萬人的部隊突然向川中島開赴，而對手武田軍同樣也是兩萬人，也不知向來謹慎的謙信這次哪兒來的自信，啟動的竟是主動攻擊模式，在戰前還拿起小鼓唱唱歌，喝喝茶，完全不像是打仗，倒像是去郊遊。
麵對這種架勢，武田信玄心裏有點兒慌了。他知道上杉謙信是個智將，這麼打過來肯定是有準備，有攻略，但又猜不著，於是開大會討論。虎將們紛紛表示咱人多力量大，不怕他，兵來將擋，水來土掩！但信玄知道空有勇武是沒用的，這時信玄的軍師山本勘助向信玄出了一計，他說：“兵分兩路，先派遣一支別動隊迂回行軍，在上杉軍的背後發動奇襲，迫使上杉軍往川中島逃走，而主力部隊則在川中島迎頭痛擊上杉軍，使兩軍前後夾擊，方能有效地消滅謙信軍。”這個計策後來被稱為“啄木鳥戰法”。
上杉謙信在川中島南部的妻女山駐紮為營，離武田軍的海津城隻有三公裏，可以說是深入敵方內腹，這一大膽舉措不禁令人咋舌，如果這時武田在海津城出兵包圍妻女山，上杉將麵臨全軍覆沒的危險。但人稱智將的“越後之龍”不可能用常識思考戰略，當然也不會按常理出牌。他將計就計，以背水一戰的態勢誘導武田軍包圍其大本營，接著來個突襲，反包圍武田信玄的大軍。
九月十日深夜，當得知武田別動隊準備開始攻擊妻女山，其他主力部隊也已在川中島埋伏之後，上杉謙信率領一萬二千大軍提前拔營下山，渡過千曲川向八幡原進發，並派一千兵力留守拖延別動隊。巧的是，那天早上的川中島泛起了陣陣濃霧，當不遠處馬蹄聲響起，武田軍卻難以辨別究竟是自己人還是敵軍，等到跟前才乍然發覺：媽呀！是上杉軍主力！上杉謙信的迅速主動攻擊打得武田信玄驚愕不已，措手不及，狼狽不堪……失去了原本主攻的優勢，陷入苦戰，“啄木鳥作戰計劃”宣告失敗。更絕的是發明這個戰法的山本勘助也戰死了！
而另一頭的妻女山戰場，武田別動隊在上杉一千兵力的頑強抵抗下，費時費力終於有所突破，奔赴主戰場支援，馬場信房發動奇襲猛擊上杉軍側翼，使原本一麵倒的戰況產生了逆轉，上杉軍頓時陷入劣勢，隻能往善光寺撤退。這一時間，兩大梟雄間著名的“一騎討”應運而生，也就是“越後之龍”和“甲斐之虎”唯一的一次單挑！謙信突破武田軍陣直取信玄，連斬三刀，信玄奮力拚擋，但第三刀下來還是被砍傷了肩膀，戰神謙信則全身而退。
這次合戰長達二十多天，死傷不計其數，武田信玄的胞弟武田信繁等諸多名將均勇猛戰死，上杉謙信的有生力量也耗損慘重，雙方事實上依然沒有決出勝負，隻是打了個平手。但是在戰後，卻都宣稱自己獲得了勝利。第五次合戰則是“雷聲大，雨點小”，最終不了了之。
武田信玄和上杉謙信是終身的宿敵，也是日本大名中頗具實力的兩個代表，但他們之間經常內耗，直到兩個人都相繼死去也無法將自己的地盤擴展出去，更不要說統一日本了，這是他們兩人共同的悲劇，但他們在會戰中所傳達的勇武精神卻影響了後代千千萬萬的日本人。此外，兩人之間的“龍虎鬥”卻在客觀上為織田信長提供了發展空間，決定了日後天下的走勢，曆史有的時候就是這麼充滿戲劇性。