山本勘助唯一一次的失敗就是在川中島合戰中最激烈最廣爲人知的第四次合戰，有名的“啄木鳥戰法”被敵人看破。1561年夏，武田信玄和上杉謙信在川中島進行第四次合戰。勘助提出“啄木鳥戰法”，將全軍一分爲二，一半的兵力夜襲在妻女山(西條山)佈陣的上杉軍。可惜的是上杉謙信看穿了武田軍的意圖，迅速下山渡過千曲川雨宮渡，在八幡原重新佈陣。夜襲妻女山的武田別動隊撲空，雖然立刻趕往八幡原但不可能短時間內與本隊會合。而武田軍本隊卻按原計劃迎擊遭受夜襲的上杉軍，渡過千曲川向八幡原進兵。清晨籠罩在八幡原的大霧散去，兩軍都發現敵人近在眼前，立刻展開了激烈的戰鬥。武田軍士兵數只有原先的一半，謙信則擺出了著名的“車懸之陣”向武田軍起猛烈的攻擊，而武田軍以“鶴翼陣”抵擋，由於武田軍人數就佔劣勢，本隊更是陷入苦戰。傳說謙信單騎衝入武田軍本陣，用手中的三太刀砍向信玄，信玄則是慌忙用軍配抵擋，雖然這個傳說真僞難辨，但可以確定當時的形勢對上杉軍非常有利。
一般來說，合戰一旦開始，軍師就已經完成了自己出謀劃策的任務，但眼見武田軍形勢不斷惡化，信玄的親弟弟，武田御典廄信繁和家中三朝宿老諸角虎定相繼戰死，而太郎義信也中計，遭上杉軍中“一騎打”聞名的猛將柿崎景家隊圍攻，在這樣的危急形勢下，擔任軍師的山本勘助毅然將承擔起計策失敗的責任，不肯揹負污名苟且偷生，率領幾名勇敢的士兵衝入敵陣，最終光榮戰死，以自己的犧牲證明了對武田家的忠誠，可謂忠烈。然而在勘助戰死以後，戰場形勢突然逆轉。夜襲妻女山的別動隊到達戰場，武田軍依然對上杉軍形成夾擊之勢，而且剛剛到達戰場的別動隊鬥志正旺，而上杉軍則已經因爲戰鬥多時顯現出了頹勢。兩軍繼續激戰，大量士兵戰死。
根據《甲陽軍鑑》等武田側資料記載，最終上杉軍從善光寺方向敗走，武田軍取得最後的勝利;而謙信也在大戰之後宣佈上杉軍取勝，並賞賜家臣，到頭來還是不能明確這場戰鬥到底是誰勝誰敗。如果勘助再忍耐一下，也許就可以看到武田軍形勢逆轉。雖然他被稱爲軍師，但他從他的舉動來看，他其實是一名優秀的武士，併爲之自豪地付出自己生命。
