其实，信长非常清楚地形的重要性。设乐原地形狭窄而崎岖，不适合骑兵的驰骋，而武田军正是以凶悍的骑兵闻名。如果下到开阔地进行决战，信长的军队就将成为凶悍的武田骑兵砍瓜切菜的靶子。另一方面，信长命令，在连子川岸一连布下几道防马栅栏，信长的意图昭然若揭：最大限度地限制武田骑兵的发挥。
于是，战役开始就出现了一种奇怪的现象，兵力优势方处防御状态，兵力劣势方反而发动了主动攻击。五月二十一日，武田军分为三翼，左路山县昌景骑兵疯狂攻击德川一方，右路则是马场信春，中路为内藤昌丰，分别攻击佐久间信盛和泷川一益。武田军的猛将倾巢而出，如山一般压来。织田一方在略做抵抗以后，退到防马栅栏后，马栅栏后突然响起了铁炮声，在连续不断的铁炮射击下，施展不了冲锋优势的武田骑兵纷纷倒下。武田军的第一波冲击失败。
武田胜赖吃亏以后并没有改变战术，他只是集中兵力再次进行冲锋。问题就在于，设乐原的地形以及信长的防御策略限制了骑兵优势的发挥。所以武田军只是单纯依靠愚蠢的硬攻进行冲锋，而且冲锋很难获得效果。第二波小山田信茂和武田逍遥轩在信长的栅栏和“三段击”面前同样一无所获。第三波攻击由小幡信贞领导他的“赤备军”进行冲锋，小幡信贞却战死沙场。武田军的士气遭到极大冲击。第四波则是武田信丰率领的“黑武者”。第五波则由马场信春再次率领。武田军就是这样一波一波疯狂地进行自杀性冲锋。
就在武田执著于冲击信长阵地的时候，鹫之巢山的武田军阵地出现了一股浓烟，原本胜赖将部分兵力留在鹫之巢山监视长筱城，但信长却秘密派酒井忠次配合长筱城端了这个据点。这个据点的失陷是对武田军士气的又一次打击。
在设乐原，战役已经到了胶着阶段，疯狂的武田军硬是在崎岖狭窄的设乐原突破了两道拒马栅栏。这得益于马场信春、内藤昌丰等猛将的实力。虽然武田胜赖下达的是傻瓜命令，但这群虎将愣是把傻瓜命令给打出了效果，也不能不说是一个奇迹。马栅栏和铁炮已经不是决定性的因素了，武田军和织田军混战在一起，双方拼的是士气和意志力，信长再次投入柴田胜家、羽柴秀吉、丹羽长秀三支队伍加入战团。山县昌景从侧翼杀入，被德川手下的本多忠胜发现，本多忠胜立刻指挥铁炮队将这名叱咤风云的猛将击毙。山县昌景的落马使武田军一阵惊愕，他们连日作战，加上数次疯狂自杀性的冲锋，无论是体力还是精神，早已到了极限。猛将山县昌景的死则是给他们在精神上最后的一次重击，无法接受这个事实的武田军陷入崩溃，向凤来寺方向逃走。
在混战中，小幡信贞、真田昌辉、真田信纲等数十名武将倒在了设乐原。信长发起了追击行动，在途中，内藤昌丰阵亡。马场信春为掩护胜赖撤退，突入敌阵战死。
长筱合战的结果，对武田家而言是悲剧性的，尤其是山县昌景、内藤昌丰、马场信春三名重量级人物的阵亡，对武田家打击尤其巨大，武田家的人才储备力量在这场战役中损失殆尽，从此一蹶不振。
有人认为，信长的胜利是由于创造性地发明了“三段击”和马栅栏相结合的战术。这其实只是一个原因。“三段击”并不稀奇，在中国和欧洲，这个战术已经不再新鲜。信长的胜，还是胜在战术上，胜在对地形、对兵种配合和战术的有效应用。而胜赖一开始强攻坚城，糜师费时，然后强行决战，又避己所长，扬敌之短，轻率冲锋，战术单纯而弱智。他的指挥失误实在是武田军在长筱合战中一败涂地的根本原因。
