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永祿四年上杉謙信南攻北條氏康，此前武田信玄曾與今川義元、北條氏康締結三方盟約，因此北條氏康向武田信玄求助。
武田信玄決定採取圍魏救趙之策：不去直接解救北條，而是再次出兵北信濃的川中島並在此建海津城作為據點。
當年八月十五上杉謙信被迫將部隊從和北條對峙的前線調往川中島，雙方第四次也是資料中最激烈精彩的一次對決即將拉開序幕。
據說此戰中武田家的軍師山本勘助提出了“啄木鳥戰法”：
啄木鳥在捉蟲時在樹的一邊敲擊，受到聲音驚嚇的蟲子就會從另一邊逃出，結果被早已守候在此的啄木鳥逮個正著。
山本勘助這一計劃正是模仿啄木鳥的行為：
武田軍兵分兩路一路組成大規模的機動部隊繞到上杉軍的背後
當上杉軍從正面躲避攻擊時埋伏在正面的武田軍本陣就配合夾擊。
九月九日深夜高坂昌信、馬場信春率武田家機動部隊12000人向上杉軍駐紮的妻女山進發。
信玄則率本陣排成鶴翼陣型在八幡原佈陣。
上杉謙信一直在觀察武田軍的動向，如此大規模的兵力調動自然瞞不過他的眼睛並且他敏銳地意識到了武田軍的真實意圖。
於是上杉謙信命令全軍偃旗息鼓，人銜枚馬裹蹄，下了妻女山並在夜色掩護下渡過千曲川。
除了留下1000人看守渡口以防備武田的機動部隊外，上杉軍的主力悉數抵達八幡原。
當第二天的晨霧漸漸散去時坐鎮本陣的武田信玄赫然發現：
上杉軍並不是被自己的機動部隊趕進了自己布好的口袋，而是面對面出現在自己的本陣前。
這下武田軍上至將領下至士兵一片愕然他們知道“啄木鳥戰術”失敗了。
這時上杉家的猛將柿崎景家為先鋒排出“車懸”之陣各部隊配置成車輪狀輪番攻擊。
久經沙場的武田信玄面對這樣的突發情況果斷下令部隊呈鶴翼陣型展開，從兩翼包圍上去迎戰。
此時上杉的主力部隊佔有數量優勢，又佔了突襲的便宜，激戰之中信玄的弟弟武田信繁、猛將諸角虎定等人陣亡。
另一方面高坂昌信等人率領的機動部隊到達妻女山後發現撲了空，他們當然知道上杉軍一定是擺脫了自己前去和武田本陣交鋒了，於是他們拼命突破了上杉軍留在渡口的1000後備部隊，於午時趕到八幡原配合本陣與上杉軍戰鬥。
認為自己該對“啄木鳥戰術”失敗負責的山本勘助身先士卒衝入敵陣，最終戰死沙場。
戰況最激烈之時上杉謙信單槍匹馬衝入武田陣中揮刀砍向武田信玄，信玄用手中的軍扇擋住了謙信的刀，但還是被謙信砍傷。
當天黃昏時分雙方各自撤兵，儘管相比前幾次較量這次的確足夠激烈，但最終仍是各自退兵，誰也沒能殲滅對方，第四次川中島合戰結束。
戰後雙方都宣稱自己是戰勝者，後來統一日本的豐臣秀吉甚至點評此戰聲稱：
“上半場上杉勝下半場武田勝”。
綜合看來：
儘管最終此戰仍是以雙方各自退兵告終，但考慮到武田軍高階將領大量陣亡的客觀現實還是隻能說上杉略佔上風。
武田軍之所以在此戰中落於下風主要是因為“啄木鳥戰術”的失敗事實上敵人永遠不可能按自己事先設定好的計劃行動，然而武田軍卻沒對可能出現的戰場突發情況準備第二套預案。
永祿七年武田與上杉在川中島進行了最後一次對決：
由於蘆名盛氏入侵越後，上杉謙信出兵抵禦，武田信玄則乘機偷襲北信濃的野尻城。
同年飛騨守護三木賴綱和國人江馬時盛為爭奪
