武田軍在十月九日在甲府出發，兵分三路。開始向織田信長的同盟德川家康的軍隊攻擊。第一隊為信玄的本隊，兵力二萬二，當中的二千是北條方增援的部隊。第二隊為山縣昌景的部隊，五千兵力，攻擊三河，後來與信玄會合。第三隊為秋山信友三千，攻擊美濃國的巖村城。主力軍方面，前線將領武田勝賴，率領五千兵力攻擊二俁城（在今浜松市），以測試德川軍的戰力，可是其城池非常堅硬，一直無法突破。約兩個月後，才開始使用計謀破壞城內的供水系統，十二月十九日，二俁城守方開城投降。十二月二十一日（1573年1月14日），與山縣昌景的部隊會合，並在祝田之坂佈陣，在此佈陣的目的是有利於武田軍前進，因為此路是往三河及遠江的交匯，加上武田軍與濱松城非常接近。
當時，根據德川軍的情報，武田軍的動向並非攻擊德川家康的根據地濱松城，而是西進京都。當時陣中不少家臣向家康提議，讓武田軍向西前進，可是家康決定迎擊，他派遣了一萬一千的部隊（其中三千為織田軍的增援）。向祝田之坂前進。十二月二十二日早上，兩軍已經在三方原完成佈陣。
兩軍對峙了一段時間（當中兩軍實際的行動情況不明），武田軍部將小山田信茂匯報德川軍的缺乏戰意。大概五時左右，根據《甲陽軍鑑》記載，小山田隊的工作兵以擲石的方法向石川隊攻擊，激怒德川軍，石川隊受到重創。石川隊撤退後，終於使德川家康命令發動總攻擊。但是兩軍鬥志和兵力有一定的差距。武田軍，當中包括負責運輸的甘利隊，進行全軍攻擊，取得了優勢。約下午六時左右德川軍開始撤退。當時，德川軍撤退得非常危險，德川家康的替身夏目吉信戰死，此外擔任家康殿軍的本多忠真戰死，家康甚至在撤退時嚇得失禁，可見得家康非常狼狽。織田軍當中，大將平手汎秀戰死。當信玄軍殺到濱松城外，卻發覺德川軍完全沒有防備，所有城門打開。武田信玄軍前線部隊還聽到了鼓聲。信玄恐防有詐，下令停止攻擊。結果，家康安然無事，避過了此劫。
戰後，武田軍之後沒有再攻打家康當時的居城濱松城，在祝田之坂往西前進，向三河進攻，兩個月後在野田城之戰擊退德川的守備之後，武田信玄病情惡化，武田主力軍回歸，回歸途中在信濃伊那郡死亡。
