内藤昌月、山县昌满、望月信赖等将在面对数倍于己的上杉军无力突围，只好抱着败战的必死觉悟下，率今福有清、浅利信种、曾根七郎兵卫、土屋昌次等将，在上杉军侧翼突袭宇佐美定满、大熊朝秀、长尾景连、长尾景亲等上杉主力部队。
内藤昌月、山县昌满、望月信赖随后在枪林弹雨之下展开突击，随后武田军竟然一路接连击溃大熊朝秀、长尾景连、长尾景亲等部，在不顾上杉军猛烈铁炮、弓矢的集火下长驱直入到上杉军后备，压逼谦信本阵与谦信麾下旗本众展开死斗。望月信赖与回防上杉军本阵的小岛贞兴、松本景繁等将展开激战，混战之中，望月信赖被小岛贞兴所讨死，武田军的攻势随即受创并且开始混乱，上杉军趁势展开反击。苦战代价之下，上杉军先后击溃了内藤昌月、山县昌满、望月信赖等部，在武田军败走后，八幡原上堆满了山县、内藤、望月等部退败的武田军尸体。
同时，上杉军的山浦国清开始进行掳获的武田军旗帜、差物的识别。在铁炮、弓矢的援护下太田资正部、小山朝幸部、甘糟景持部与一条信龙等部拼命缠斗。
内藤昌月与山县昌满二人在得知武田信玄已经率本队部分军势安全撤出八幡原后便率二十余名骑马武士返回战场突入正在追击的上杉军中。内藤昌月用长枪挑落四、五名上杉军的骑马武士后，却被上杉军的太田资正麾下铁炮足轻所击毙。而山县昌满则是在突围无望，部众伤亡殆尽后于广濑渡切腹自尽。
由于得不到足够增援还在奋战的武田军各部最终一败涂地，而武田信玄在离开八幡原战场后，为了逃避四处袭击武田军的平贺众等野武士、盗贼，武田信玄不得不抛弃了军旗、金印等所有贵重物品，这些最后都被山浦国清所掳获。扣除伤亡、失踪、逃亡，平安回到甲斐的武田军仅有五千军势。
经此一役，武田家在信浓、甲斐两国的军事力量被完全摧毁。战死的家臣中既有武田信繁、武田信廉、武田信友、一条信龙、松尾信是、河洼信实等至亲，谱代众中也有马场信房、高坂昌信、金丸虎义、三枝虎吉、石原守玄、小山田虎满、小畠虎盛、原昌胤、内藤昌月、山县昌满、浅利信种、今福有清、笠井肥后守等人战死。一门众中的望月信赖（武田信繁长子）、诸角虎定、樱井信忠、岩手信盛、岩手信景、今井信昌等重臣先后被讨死。对于武田家来说这是一场不折不扣的全面溃败，武田家不仅仅是元气大伤、伤筋动骨，而是武功尽废再无复起的机会。
武田军在八幡原战场上一共被讨死一万人，来不及逃窜被俘虏的达到五千人，实际逃出生天的只有武田信玄所率的本队五千军势，如骏河众的富士信忠、小原镇实、庵原忠胤、庵原光教、由比忠光、由比正信、西山光英、西山光亲、三浦员久、三浦义镜、孕石元泰、大塚兵右卫门等他国众和穴山信君见战局不利后早早的脚底抹油脱离了战场。而在千曲川南岸的战场上，武田军被俘两千余，讨死达五千余，仅有小山田信茂等郡内众见战局不利后便脱离战场完好无损的退回甲斐。两边的大战中一共六万五千武田军，逃出的包括他国众、小山田信茂、穴山信君、武田信玄本队等一共两万不到，其他的不是被俘、失踪就是被讨死，经过首实检统计后一共讨死一万五千余武田军。
然而，此次战役，上杉军也不是毫无损失的，和武田军同样付出了惨重的代价。前前后后上杉军共计投入了七万八千军势，其中战死者达七千余，负伤者上万。其中，朝定麾下家臣小山朝幸部战死一千两百余人，几乎全灭，位列损失榜第一。另外，坚守千曲川北岸的左右武卫军也战死两千余，若不是为了阻击武田军偏师不让其突破千曲川与武田军本队合流，也就不会迅速损失才组建不久的左右武卫军中的四分之一。不过，有失必有得。朝定用损失两千余军势的代价，成功换取讨死马场信房、高坂昌信、小山田虎满、小畠虎盛、板垣信安、保科昌俊、甘利昌忠、真田信纲、真田昌辉、相木昌朝等武田家众多重臣以及对海野众、信浓先方众等进行毁灭打击的辉煌战绩，总体看来也算得上是利市三倍了。而上杉家也损失了一些家臣：夏户城城主志驮义时（直江景纲与力）、赤仓城城主大川忠秀（扬北众）、庄田定贤（御马廻年寄分之众、旗本众）、弥津治部少辅（北信侍）、岩仓寺城城主野吕弥左卫门（能登众）、大仓崎馆馆主（大仓崎馆位于千曲川西岸的断崖附近）竹内源内（北信侍）、井上肥后守（北信侍，奥信浓井上一族）、尼饰城城主东条信广（北信侍）、割岳城城主柴津为信（北信侍）、高梨玄俊（高梨政赖四弟，北信侍）、小山高朝（关东小山氏原家督、当主，小山朝幸麾下笔头家老）、小山秀纲（小山高朝之子，原关东小山氏少主）等。
随后，朝定与谦信在八幡原上举行了胜利仪式，庆祝上杉军将武田家彻底逐出奥信浓。之后，谦信在进入西条城后还给在此战中表现出色的武将颁发了极其特殊的“血染感状”，共有藤原朝定、柿崎景家、色部胜长、宇佐美定满、斋藤朝信、黑川清实、本田长定（旗本众）、松本景繁（松本忠繁、旗本众）、荒川长实（旗本众）、小岛贞兴（旗本众）等十人获得。其中，这十份感状中皆有谦信发自肺腑之言：‘汝的奋战，政虎一生切不敢忘记’。