第四次川中島合戰就是著名的五次川中島會戰中規模最大，也是最為人所知的一次。
永祿四年（１５６１）九月初，上杉政虎（後來的上杉謙信）率領越後軍一萬兩千名在川中島北方的妻女山上布陣，而自北信濃海津城出發的武田信玄的甲信軍一萬八千名則駐守在正對著妻女山的八幡原，兩軍隔著千曲川相對，戰事一觸即發。
九月九日夜，武田軍兵分兩路，支隊由清野進入山路，趁著千曲川的大霧做掩護企圖繞到敵軍背後，待敵軍開始行動，則攻其背後。此隊的陣容是：
先鋒真田幸隆（嚮導）
馬場民部（美濃守信房，或稱信春）
飯富兵部虎昌
小山田備中守昌辰
小山田彌三郎信茂
甘利左衛門尉
相木市兵衛昌朝
蘆田下野守信蕃
合計約一萬人
而武田軍本隊則在千曲川河岸布陣，其陣勢為：
信玄直屬部隊：
飯富三郎兵衛（後山縣昌景）
右翼：
內藤修理昌豐隊、諸角豐後守虎定隊
左翼：
武田典廄信繁隊、穴山信君隊
右側預備隊：
武田太郎義信隊、望月隊
左側預備隊：
原隼人佐隊、武田逍遙軒信廉隊
後備隊：
跡部大炊助隊、今福善九郎昌和隊、淺利式部丞隊
共約八千人
九月十日未明，武田支隊已到達妻女山的後山，但是早在武田支隊出發之時，上杉政虎就已發現武田軍的作戰計畫，但其將計就計， 直到武田支隊到達後山之時，上杉軍的主力早已趁著大霧下山，直取武田本隊，只留下甘糟近江守的兩千兵馬阻擋武田支隊。而上杉軍主力的陣勢為：
先鋒：
柿崎和泉守景家隊、齋藤下野守朝信隊、長尾政景隊
右翼：
本庄美作守慶秀隊、北條丹後守長國隊、
長尾遠江守藤景隊、山吉孫次郎親章隊
本陣：
上杉政虎隊、直江實綱隊
左翼：
唐崎孫次郎隊、黑金孫太郎隊、大貫五郎兵衛隊、柏崎時員隊等
後備隊：
本庄越前守繁長隊、新發田長敦隊隊、色部修理亮長實隊、
鱣川攝津守隊、下條薩摩守隊、天川駿河守
黎明時分，信玄接到忍者的報告，得知越軍已下山，立刻下令備戰 ，並調整陣型應戰，以本營為中心，其陣勢為：
前陣：
武田典廄信繁隊、內藤修理隊
右翼：
諸角豐後守虎定隊、武田太郎義信隊、淺利式部丞隊
左翼：
穴山信君隊、原隼人佐隊、跡部大炊助隊
後備隊：
望月隊、今福善九郎昌和隊、武田逍遙軒信廉隊
永祿四年九月十日黎明，甲越兩軍在千曲川的濃霧中展開激戰，上 杉軍的兵力共一萬人，其作戰目標就是武田軍總大將信玄的首級； 武田軍兵力八千，作戰目標是採全面守勢，只守不攻，意欲待支隊返回，採前後夾擊殲滅上杉軍，就在這種情況下，兩軍展開一場惡戰。
上杉軍原想一口氣突破，但因武田軍的堅強防備而陷入混戰，戰情陷入膠著，兩軍的傳令兵來回穿梭，上杉軍想突破防守薄弱之處武田軍卻又能及時加強陣容。上杉政虎原想一口氣收拾武田軍，但是武田軍縮小陣地，嚴密防守，顯然是在拖延時間等待支隊返回。
就在此時，位於右翼的武田太郎義信隊受到誘敵之計的影響，不顧堅守陣地的命令追擊詐敗的上杉軍，致使防禦的陣型出現缺口，太郎義信隊遭敵包圍，重臣諸角豐後守虎定為援助武田家嫡子而衝入敵陣，為掩護太郎義信撤退，不幸戰死。另一方面，由於右翼的混亂，導致前陣的武田典廄信繁隊兩面受敵，原本損失不輕的信繁隊更加吃力，此時上杉政虎命猛將柿崎和泉守景家隊全力攻擊典廄信繁隊，並投入所有的後備隊，欲突破武田軍正面。信繁隊死守陣地 ，但畢竟寡不敵眾，在支隊趕回的前一刻，武田典廄信繁陣亡。
武田軍支隊趕回之後，情勢逆轉，原本苦戰的武田本隊燃起了敵愾之心，易守為攻，陣型改成包圍陣，欲殲滅上杉軍，上杉軍則向西方撤退，戰況眼變成慘烈的追擊戰。武田軍在上午的激戰損失不輕 ，但上杉軍敗走後，反倒是上杉軍傷亡人數暴增。追擊戰直到十日夜晚才停止。
戰役結果，武田軍取下首級三千七百餘，故上杉軍傷亡約四千餘人 ，但武田軍也損失兩千餘人。武田軍雖然大勝，但也損失慘重，還 失去了猛將諸角豐後守以及智勇雙全的武田典廄信繁。
戰後，上杉政虎頒發了感謝狀給色部修理亮長實，表揚了他的英勇 ，而武田信玄則賜給作戰有功的土屋豐前守信濃水內郡、和田、長池等地。雖然上杉軍亦稱自己獲勝，但是由這個例子可以看出，勝利是屬於武田的，因為信濃水內郡、和田、長池三地原本是上杉家的領地。
川中島合戰的影響是，武田軍將上杉家在信濃的勢力逐出，自此， 信濃完全進入武田家的管轄。
本文部分資料參照新田次郎所著：武田信玄
文章定位：
