当德川家康发现武田信玄的主力部队突然绕开自己所在的滨松城，径直向西边的三河国开进时，他就感觉自己在战略上已经陷入被动地位了。《孙子兵法》上讲，善于作战的将领往往都善于调动敌人而不被敌人调动。而德川家康已经意识到自己被武田信玄调动了，明知是计，又不得不出兵与武田信玄一战。德川家康不得不在心里暗暗承认‘甲斐之虎’果然名不虚传。
德川家康一边利用伊贺众严密打探武田信玄的动静，一边调动城内的军队随时准备出城迎击武田信玄。
而服部正成也在这个时候回来了，还带来了织田信长派来的援军。此时的近畿附近，浅井长政、朝仓义景、石山本愿寺等诸多地方势力结成的反抗信长的同盟‘信长包围网’。织田信长正与这些势力混战而自顾不暇，只能派泷川一益、平手泛秀及佐久间信盛等率领三千士兵拼凑的援军增援家康。德川家康见织田信长援军终于到来，立刻大喜。但是当他听说援军只有三千时，还是感觉有些人手不够。德川家康本部六千余人，即使加上织田援军人数也不过万，而对面武田信玄有两万五千的大军，还有十分强大的骑兵部队。
德川家康清点已经集结完毕的部队，他估算大约九千三百人。虽然面对武田信玄两万五千大军尚嫌太少，但内心稍稍安定了下来，他不时亲自站到天守查探武田信玄军队的动向。而同一时间，滨松城内德川家康的动向也通过透波众的情报渠道一一发送给了武田信玄。
然而收到情报的武田信玄并未因为家康的计划而停止进军，布阵迎敌。他依旧让军队排列成细长的队伍朝三河国迅速走去，似乎无视德川家康军队的存在。当他的军队经过滨松城北方一块被称为三方原的平坦空地时，德川家康认为进攻的最佳时机已到。他立刻率领城内的所有军队排列成利于
进攻的‘鹤翼阵’向武田信玄军队的侧翼杀去。
然而即使面对侧翼杀来的三河军队，武田军没有丝毫慌乱。武田信玄看到德川家康排成‘鹤翼阵’向自己杀来，不禁冷笑两声。他淡定地高举手中的军扇挥动两下，他的军队立刻开始换阵。武田信玄是一个十分善于排兵布阵的武将，他以明国传过来的‘武侯八阵’为基础，结合自己多年作战的实际经验排出了被后世称为‘武田八阵’的八种阵型，这八种阵型适合于不同的场合和地形。武田信玄平时十分重视训练士兵演练阵法，所以武田军可以十分熟练的在阵前改变适合自己的阵法，即使大敌当前也不会出现慌乱。
当德川家康的军队杀到武田信玄面前时，惊恐的发现对方已经从原本不适合进攻的‘长蛇阵’换成了正好能克制住自己的‘鱼鳞阵’等待着自己。鱼鳞阵是将主要兵力在中央集结成鱼鳞般致密的纵队，正好可以攻破德川家康将主力至于两侧，而中央空虚的‘鹤翼阵’。
而且德川家康还发现自己原本在进攻对方的侧翼，结果变成了两军直接的正面交锋。发现自己又中了武田信玄的计策，德川家康暗自摇头。然而现在撤退已经来不及了，家康只得硬着头皮率军杀入敌军阵中与敌军血战。德川军与武田军的前锋混战时，武田信玄派遣武田信丰、穴山梅雪、内藤昌丰等所在的纵队立刻迂回至德川军背后，将德川军前后夹击。德川军遭受两面夹击，立刻大乱。
而更为严重的是，德川家康发现自己所在的中军即将被前后致密的敌军纵队包围。德川家康此时如果丢下与武田军苦战的士兵独自撤退，全军会立即崩溃。而自己如果坚守原地，很有可能会被包围吞并，又是一次痛苦的抉择。
德川家康经过最后挣扎的思考，只得一闭眼撤退。他手下的士兵发现主将撤退，立刻士气大跌。然而三河武士确实有英勇的气概，在绝境中仍旧拼死苦战。据说战后武田信玄在收敛尸体的时候发现德川军阵亡的士兵大都是脸朝下倒下的，便大为感慨。因为脸朝下倒下说明是战死的，而仰面倒下的则是逃跑时被杀的。而德川军大部分阵亡的士兵都是战死的而非逃跑时被杀的。
当德川军开始溃败，织田信长的援军也士气大跌。泷川一益及佐久间信盛率军一看情形不对就直接逃走了，而平手泛秀则率军战死。
在德川家康与武田信玄在正面战场进行交战前，武田家的透波众就开始向德川军移动，然而在半路遭遇了五又卫门和阿泷率领的两百名伊贺忍者，双方立刻爆发忍战并互有胜负。最后五又卫门看到德川军溃败，只好也率领伊贺众且战且退，退回滨松城内，而透波众也并未恋战，回到了武田军阵中。
德川家康率军退回城内时，背后跟着一队武田的追兵。后来这对追兵被埋伏在城门附近的伊贺众击退，德川家康才得以安然退入城内。据说德川家康在此战中深受打击，甚至被吓得大小便失禁。他败退回滨松城后，看到自己的军队完败于武田信玄而死伤惨重，曾经打算切腹自尽，后来被身边的家臣苦劝下才作罢。后来他还下令画师绘画一幅自己兵败愁眉苦脸的画像（后世称为“颦像”），提醒自己以后不要出现更难堪的情况。
