天文十六年，二月十五日。
就在景定还在岩代、南陆奥等地积极开展领内改革的同时，武田晴信也没有趁着大胜而空闲下来，而是在志贺城内休整一番后便继续大张旗鼓的对北信浓村上领展开了侵攻，完全忘记了兵法的常识——刚刚得胜的军队，应该慎重行动以保持军威。
而武田军攻入村上领的理由却是——“村上家调略原本隶属于武田家的国人领主”、“村上家治下的领民屡次越界进入武田领”等。
然而，村上义清深知“匹夫无罪，怀璧其罪”的道理，就算自己眼下向武田家低头也根本无法解决问题，毕竟武田晴信看上的是信浓的领土，而不是信浓诸将的臣服。
村上义清好歹还是被世人称为信浓四大将（小笠原、村上、木曽、诹访）之一，而且领有埴科郡、更级郡两郡以及高井郡、小县郡、水内郡、佐久郡、东筑摩郡等地各一部分，是整个信浓最大的大名，他并不打算就此坐以待毙。
村上义清早就看出武田晴信在攻灭大井家和笠原清繁之后根本不会就此停下，而是会继续对北信浓展开侵攻。村上义清经过再三思虑后便决定与林城的信浓守护小笠原长时联合起来，两家就此结为攻守同盟，一同抗击武田晴信的侵攻。
武田晴信冒着大雪率一万五千余军势进入了北信浓村上领，进展也非常顺利，接连攻落隶属于村上家的前山城、田口城、岩尾城等十余座城池兵砦，并且布阵于砥石城附近的上田原，寻求与村上义清展开决战。而村上义清也闻讯率七千余军势从葛尾城出阵，将自己的本阵布置在砥石城之中，和武田军隔着千曲川展开对峙。
村上军上下皆深知此战若是战败了意味着什么，所以他们宁愿战死沙场也不想遭遇志贺城那样的惨剧。不然武田军就会掠夺他们的财物、将他们的家眷都变成奴仆永世不得翻身。
二月十七日，武田军、村上军两军于上田原一带爆发了激烈的合战，上田原之战便正式打响了。
武田晴信以家中重臣、诹访郡郡代板垣信方为先阵，与村上军的先阵展开交战。而板垣信方的确不负武田晴信的期望，率麾下马廻众身先士卒的杀入村上军阵中，将村上军的先阵击溃，并对溃败而逃的村上军进行追击，并且接连讨取村上军一百五十余人。
但是，旗开得胜的板垣信方也在追击村上军的同时，逐渐意识到自己率军已经深入敌后了。为了不与武田军本阵的距离拉开太大失去后援，板垣信方便就此率军停止了追击，并且就地进行“首实检”，即清点此战之中斩获的村上军武士的首级。
板垣信方原先想炫耀一下自己在此战之中活跃表现的战果，结果放松了对周边的戒备。然而，板垣信方并没有料到之前的村上军只是溃散，并没有完败。
这时，正在败退的村上义清得知了板垣信方已经不再追击并且正在首实检之后，当即决定率上千败军卷土重来，出其不意、攻其不备。结果，还在进行首实检的板垣信方措不及防，完全没有时间来组织兵力进行反击。在一番混战过后，板垣信方被村上军所讨取。板垣信方所部的骑马武士被讨取四十余人、足轻被讨取一百五十余人。
随后，村上义清更是趁着自己发起反击后大胜，麾下军势已经士气高昂，便决定再接再厉，意图一举将武田军击败，将其逐出北信浓一带。之后，他就率军继续攻向了武田晴信的本阵所在地。
武田晴信眼下根本就没有料到已经被板垣信方部击溃的村上义清会在此时突然率军出现，甚至有了一闪而过的惊慌。在迅速镇定下来之后，武田晴信当即下令饭富虎昌、小山田信有等将分别从村上军的两翼进行夹击，务必将其击退。
可村上义清见武田晴信本阵的旗印近在咫尺，根本不甘心再次败走，便率麾下旗本七百余军势再度猛攻武田晴信的本阵。同时，原先正在四散溃逃的村上军在得知村上义清发起反击将板垣信方讨取后，也从四面八方向武田军本阵涌来。
在战斗中，村上家的旗本众个个无不奋勇当先，死战不退，导致遭到突袭的武田军本阵很快乱成一团。甘利虎泰、才间河内守、初鹿野高利等武田家有力武将皆在混战之中先后被村上家的旗本众所讨取，就连武田晴信本人在与村上军的激战之中被村上军砍伤了右手。
就在武田晴信万分危急之时，教来石景政（马场信房）、工藤昌丰（内藤昌丰）等将迅速赶到，联合小山田信有部一同对村上义清的旗本众进行夹击猛攻。由于小山田信有、马场信房、内藤昌丰等部死战不退，导致村上义清几乎寸步不得前进，只能眼睁睁的看着武田家的家臣们将已经受伤的武田晴信顺利救走。
武田家重臣小山田信有的领内由于冬季降雪较多，因此小山田信有所部非常善于应对这样的恶劣天气。故而在小山田信有的殿军奋战之下，武田军这才得以脱离险境，成功逃离村上领。但是，武田军也因此付出了被村上军讨取一千两百余人的代价，余者几乎是人人带伤，同时还丢弃了不少粮草辎重。
被村上家击败后的武田晴信感到非常不甘心，继续滞留在内山城一带很久，根本不想承认自己已经在上田原一战战败的事实。到了次月，武田晴信在军师山本勘助，以及大井夫人（武田晴信之母）派来的使者野村筑前守、春降出云守的轮番劝说之下总算是想通了。
毕竟眼下的武田军经过上田原一战惨败后，士气正处于低谷，而且由于大雪的原因导致补给困难，完全无法继续与村上家进行交锋。随后，武田晴信就取道诹访郡上原城，于三月二十六日，率残部返回了甲斐国。
另一方面，村上义清虽然一度胜券在握，但是他却见好就收，并没有率军继续追击正在败退的武田军。仅仅只是联合了小笠原长时、仁科道外（小笠原长时舅舅）等人在诹访郡北部大肆焚烧村落后就收兵返回了北信浓，将先前武田军所夺取的前山城、田口城、岩尾城等十余座城池兵砦尽数夺回。尽管村上家在上田原一战中先败后胜，村上家还是付出了小岛权兵卫、屋代基纲、雨宫正利等有力武将阵亡以及伤亡一千七百余人的代价。
之后，武田晴信在返回甲斐后，就前往领内的汤村温泉连续泡了一个月之久，以治疗身心上的创伤。有此可见上田原之战的惨败对武田晴信的打击是有多么的大。
同时，这一次侵攻北信浓的惨败也引起不少甲斐国人的抱怨。毕竟此次武田军出阵北信浓完全是师出无名，而且还是以师老兵疲的状态和极其恶劣的天气下与村上军展开交战。就连后续的粮草辎重都因为大雪的缘故而无法顺利运抵，这就导致了武田军还没开战就已经士气低下了。
此时此刻，身为时任信浓守护的小笠原长时在村上军与武田军大军进行激战的同时，却并没有去及时策应村上义清，两面夹击武田军。从而使得武田晴信在战后可以从容布置对诹访郡、佐久郡等地的防御。
在得知武田晴信于上田原一战中惨败，并且不理政事长达一月之久的消息后，小笠原长时这才燃烧起重新树立自己信浓守护威望的野心。
于是，小笠原长时于五月十日，并没有要求村上义清、仁科道外等人出兵协助，而是率麾下五千余军势攻入了诹访郡，相继寝反了先前已经臣从于武田家的当地国人领主和地头武士，使其在武田家后方发起国人一揆，对诹访郡各地进行袭扰，以此来吸引武田家的注意力。
但是这时距离上田原之战惨败已经过了几个月的时间，武田晴信也已经恢复了不少元气。在得知小笠原长时正率五千余军势对诹访郡发起侵攻的消息后，武田晴信就决意再度调集大军出阵诹访郡，意图将小笠原长时彻底赶出南信浓一带，让其再也无法踏入南信浓一步。