如下圖所示， 設樂原的地勢起伏不平，很多丘陵小山，大大影響了騎兵衝鋒的速度，武田軍不佔 “地利”。
設樂原地勢起伏不平
織田軍投入總兵力3萬多人，織田軍不設右翼，右翼是友軍德川軍。織田軍主力負責把守彈正山北面，織田軍中央部是織田信長，以丹羽長秀、瀧川一益等爲先鋒。 左翼羽柴秀吉、柴田勝家等大軍駐守側翼的牛倉山。 信長長子織田信忠率軍駐守天神山與北畠信雄共同負責織田軍殿後。德川軍投入總兵力8千餘人，德川不設左翼，左翼是織田軍，德川軍主力負責把守彈正山南面，德川軍中央部是德川家康，以本多忠勝、石川數正、榊原康政爲前鋒，大久保忠世爲德川軍右翼，同時家康長子德川信康率殿軍駐紮鬆尾山，爲德川軍殿後。(此外，酒井忠次率領3千奇襲部隊還在行軍中)。武田軍方面，武田軍投入戰場兵力1萬5千人。馬場信房、真田信綱、土屋昌次等3千人馬爲右翼。內藤昌豐3千人馬負責全軍中央部，武田信豐、小幡信貞率兵3千爲先鋒。山縣昌景、原昌胤、小山田信茂等3千人馬爲左翼。武田勝賴親3千人作爲預備隊。另外高阪昌澄(高阪昌信嫡長子)等率2千人仍駐長篠城外，監視長篠城，防止守軍出城偷襲武田軍後路。同時，武田信實統兵1千人留守鳶巢山，負責武田軍殿後，確保武田軍退路。
雙方的軍力佈置圖，如下圖所示。
長篠之戰，織田、德川軍和武田軍兵力佈置圖
5月21日清晨， 從午夜開始下的暴雨停了，但天還是陰沉沉的，路面泥濘不堪，不利行軍。但聯軍的鐵炮部隊因雨停可以大顯神威了，“天時”也站到了織田德川聯軍一邊!6時許，武田軍左翼山縣昌景率先向德川軍發起衝鋒，頓時武田軍鼓聲震天，武田先鋒武田信豐、小幡信貞率兵3千人撲向織田軍先鋒爲丹羽長秀、瀧川一益陣地，右翼馬場信房也同時突擊織田軍佐久間信盛部。武田軍一線陣地騎兵一鼓作氣，同時發起攻擊，像現代坦克一般，衝向聯軍柵欄。靠着騎兵強大的衝擊力，大有一擊滅敵之慨!眼看山縣昌景的騎兵就要衝到馬防柵之前了，突然德川軍陣中鐵炮齊發，首當其衝的武田軍頓時人仰馬翻。同時武田軍先鋒與右翼也遭到織田軍同樣的鐵炮攻擊，損失頗重。武田軍也不愧爲百戰雄師，他們深知鐵炮的最大弱點就是發射間隔長。只要趁鐵炮手上子彈的間隙攻破馬防寨，砍斷繩索，鐵騎突襲織田德川聯軍步兵，織田德川聯軍將遭滅頂之災。所以，武田騎兵並沒有稍稍卻退，反而加速向聯軍衝去。可是悲催武田軍剛衝出幾步，第二波鐵炮齊射就響了，又有更多騎士兵倒在血泊之中怎麼。鐵炮發射間隔縮短了，怎麼回事兒? 疑懼不已的武田軍還沒明白過來，第三波鐵炮齊射再次撲面過來，嘩啦啦又倒下一片。這次齊射終於打亂了武田軍軍心，攻勢嚴重頓挫，不得已全軍稍稍後撤以作修整。其實，這並非織田德川軍發明了連發鐵炮，而是信長使用了日本鐵炮戰術中有名的“三段擊”! 其實此戰法也沒什麼新鮮的。就是讓鐵炮手前後站成三排，第一排射擊完畢就立刻蹲下填彈，第二排隨即跟着射擊，然後再蹲下填彈，輪到第三排射擊。等到第三排也射完，第一排鐵炮手也裝彈完畢，就可以再次射擊了。如此輪流的戰法便可克服鐵炮部隊裝彈時間太長的缺點，實現對敵人源源不斷的火力打擊，給予敵人最大密度的殺傷!
可能是見識過武田騎兵的威力，心有餘悸的德川軍不敢追擊山縣昌景，使山縣昌景得以順利帶兵撤回武田軍左翼陣地，可是，先鋒武田信豐、小幡信貞和右翼的馬場信房就沒有那麼幸運了。織田信長命令本陣部隊配合先鋒爲丹羽長秀、瀧川一益、佐久間信盛越過柵欄，追擊撤退的武田軍。就這樣，1萬5千的織田軍與6千左右的武田騎兵廝殺在一起，犬牙交錯。雖然織田軍的兵力是武田軍的三倍，但是，武田騎兵征戰多年，訓練有素，個個英勇善戰，雙方打的難解難分，鹿死誰手，還未可知。
8時，喘息稍定的山縣昌景重整了隊伍，再次發起衝鋒!這次他繞過有防馬柵欄的地方，從德川軍右翼，殺向德川軍中央部。德川軍右翼是大久保忠世率領的2千人長槍部隊。這些人根本經不住山縣昌景近3千“赤備”的衝擊，開始向德川中央部潰退。這時，大久保忠世下了死命令：“後退一步者，斬”。 面對洶涌而來的甲斐騎兵，大久保忠世部也是毫不畏懼，與山縣昌景部互相往來衝殺、相持不下。這時候，山縣昌景手下大將原昌胤、小山田信茂率部衝入了德川軍中央部，德川家康緊急命令先鋒本多忠勝、石川數正、榊原康政等救援中央部。這時候，一個小概率事件發生了。本多忠勝真是火眼晶晶，他說了那句後世廣爲傳頌的話：“那人便是山縣昌景!”話音剛落，近百挺鐵炮手一齊瞄準那武士射擊，可憐的山縣昌景頓時被打成了個馬蜂窩，血肉橫飛，當場慘死，享年46歲。大將原昌胤想奪回山縣昌景的屍體，猛衝大久保忠世，也被德川軍鐵炮擊中，當場斃命。失去了主帥，武田家左翼軍隊軍心動搖，鬥志全無，又深陷德川軍重重包圍之中，最後，幾乎全部陣亡。
就在兩軍激戰正酣之時，忽然武田軍後衛部隊開始大亂。又有一大批德川軍從長篠城方向殺來，爲首一騎乃是德川家猛將酒井忠次!這是怎麼回事?原來就在開戰前夜，德川家康密令酒井忠次率3千人，迂迴包抄，趁夜偷襲武田軍的鳶巢山據點，切斷武田軍後路。酒井忠次半夜出發，祕密渡過豐川，終於在天還沒亮時從南面摸上了鳶巢山，突襲武田信實的1千守軍，德川軍成功佔領了鳶巢山。接着，酒井忠次與長篠城內守軍前後夾擊高阪昌澄2千武田軍。奧平貞昌在長篠城被武田軍摁着腦袋打了一個多月，終於可以報仇了，他們個個生龍活虎，叫嚷着：“勝賴呢?我非弄死他不行!”高阪昌澄寡不敵衆，迅速潰敗，主將高阪昌澄戰死。酒井忠次、奧平貞昌趁勢從後方攻擊武田軍中央部的內藤昌豐。
酒井忠次的奇襲圖
退路被斷，軍心浮動，形勢對武田軍更加不利。內藤昌豐再次建議武田勝賴退兵，他大聲喊到：“撤吧。再不撤，就真打光了!給赤備留個種吧。”武田勝賴堅決不撤退，打算血戰到底。武田家喪失了最後一次懸崖勒馬的機會。
中午12點，大戰仍在繼續。 剛剛消滅了武田軍左翼，德川家康見機不可失，立刻下令全線反擊，並鼓勵士卒道：“不需割取敵人首級邀功這麼麻煩，只要殺光敵人，回來都有重賞!”於是，德川軍猛將本多忠勝、石川數正、榊原康政等率先鋒部隊從柵欄後殺出，追趕潰散的武田軍，德川家康親率中央部人馬緊跟其後，大久保忠世也率德川軍右翼朝武田軍中央部的內藤昌豐殺來。旌旗蔽野，塵土遮天，內藤昌豐部遭到德川軍前後夾擊，士氣一下子崩潰了，混戰中，馳騁沙場多年的內藤昌豐浴血奮戰，當場陣亡!武田軍中央部也幾乎全軍覆沒!
午後2時， 武田信豐、小幡信貞、馬場信房還在和織田軍本部、先鋒部隊戰鬥，早已死傷籍枕，漸漸抵敵不住。正在這時，織田信長命令三個“五大金剛”羽柴秀吉、柴田勝家、明智光秀率領預備隊1萬5千氣勢洶洶地增援織田軍本陣和先鋒，支援正在廝殺中的丹羽長秀、瀧川一益、佐久間信盛。1萬5千人是什麼概念，武田勝賴全部投入這次戰場的總兵力才1萬5千人，還要包括早被酒井忠次消滅的鳶巢山上的1千人，監視長篠城的2千人，實際上，武田勝賴在主戰場只有1萬2千人。面對織田軍的猛攻，武田信豐、小幡信貞、馬場信房開始頂不住了，先後陷入混亂，開始潰退，武田軍大將真田信綱，真田昌輝戰死，小幡信貞的父親小幡憲重也在敗退中戰死沙場。就這樣，武田軍右翼也完全崩潰了。
在織田德川聯軍全線攻擊下，武田軍全線潰敗，損失慘重，頓時陷入潰逃狀態。兵敗如山倒，武田勝賴眼見敗局已定，終於下達撤退命令，向鳳來寺方向撤退。也許是爲了給武田勝賴爭取撤退時間，馬場信房看着倒下的武田騎兵，平靜地對勝賴說：“說我老了，也夠本了。我想陪陪這些孩子們，讓他們黃泉路上也有個伴!”說完，孤身回馬殺向織田德川的追兵，身中數刀，力戰而亡，終年61歲。至此，武田家久經沙場的三個“四大天王”全部陣亡了。
下午4時， 武田勝賴終於逃到信濃的武節城，擺脫了織田德川聯軍的追擊，身邊只剩下6名士兵。駐守海津城的高阪昌信驚聞大敗，緊急率1萬大軍前來半路接應，才使得武田勝賴稍微體面地回到甲斐。最後，前後安全回到甲斐的武田軍將士，不到3千人。
長篠城一戰，織田德川聯軍損失了5千多人，但是沒有傷筋動骨、恢復起來也很快。而武田家損失超過1萬2千人，特別是武田信玄辛辛苦苦一輩子打造出來的無敵騎兵"赤備"損失殆盡，還失去了大批有着豐富作戰經驗、高超指揮才能的重臣，武田家的脊樑骨從此被打斷了。武田家也從唯一一個能和織田家抗衡的“超級大國”一下子淪爲“二等國家”，再也沒有實力對抗織田家。七年之後，織田德川聯軍對苟延殘喘的武田家實施最後一擊，勝賴帶家眷倉促出逃，但天下之大，哪裏有勝賴容身之地。公元1582年3月11日，走投無路的武田勝賴一家人在天目山集體自殺，一代甲斐名門武田氏就此滅絕了。
