永禄二年，七月十八日。长野业正和小幡景定两人所率的六千军势在北信浓佐久郡小田井原遭遇了武田信繁所率的一万三千武田军。两军随即在此地各自布下阵势。
小田井原，就在这个地方让不少山内上杉家的家臣长眠于此。曾经，上杉宪政救援臣属山内上杉家的志贺城城主笠原清繁，便与武田家断交。上杉宪政派遣了以仓贺野、深谷、安中、和田、后闲、大胡等将为首的两万大军驰援笠原清繁。
虽然，长野业正在两万山内上杉军出阵佐久郡前就不止一次的劝说上杉宪政，并且以‘此乃无意义之战，主上您的敌人是北条氏康，此刻与武田家为敌有何意义？’劝说。但是，上杉宪政在一些佞臣的鼓动下仍然决意与武田家开战。
由于志贺城城主笠原清繁的领地与上野国接壤，故而山内上杉家可以通过碓冰卡给与笠原清繁支援。
但是，山内上杉家的大军才通过碓冰卡进入北信浓佐久郡，便遭到了武田信玄派遣的板垣信方、甘利虎泰、小山田弥七郎（小山田信有庶兄）等将组成的别动队袭击。武田军便在小田井原重创山内上杉军，讨取武将十余人以及足轻杂兵三千余。
由于小田井原之战山内上杉家战败，导致了山内上杉家的衰退更深了一层。当北条军攻入上野后，更是没有一名山内上杉家的家臣或上野的国人领主敢收留上杉宪政。
武田信繁因为统帅兵力过多，导致各部阵势布置十分缓慢。他为了不让武田家的一门亲族众、谱代家臣在与长野军交战中损失惨重，便将骏河、远江两国的外样国人领主和信浓先方众布置在了武田军的最前方。
长野业正很清楚武田信繁不会错失击败自己的良机，武田军的数量是己方的两倍有余。与其浪费时间被动挨打，还不如己方主动攻击，趁着武田军阵势尚未布好，一举攻击过去，可能会事半功倍。
就这样，长野业正决定先发制人，他高声呼吁全军：“为曾经战死于小田井原的上杉家将士报仇的时候到了！老夫曾经没能与长眠于此的武士们同行已经抱憾，今天就让武田军见识一下上州武士的厉害！”
“噢！”
随即，在长野业正的指挥下，长野军全军嘶声喊杀着向武田军本阵冲去，势如山崩，勇往直前。长野军突击的过程中兵分左右两路呈钳形对武田军攻去。
长野业正麾下的猛将‘上野十六枪’大道寺信方、藤井友忠、白川满胜、岸信保、和田兵部介等将纷纷身先士卒。小幡景定麾下的勇将小幡三河守（小幡景定同族）、吉崎角兵卫、浅路民部、松本定吉等将也是不甘落后于上野十六枪。
武田军的头阵是由远江犬居城城主天野景泰和骏河大宫城城主富士信忠二人组成，他们二人各率五百军势在平原上布好了阵势。武田军的次阵则是由远江笹峰城城主天野虎景和远江堀江城城主大泽基相组成，他们二人也是各率五百军势在一片水田边上布下阵势。第三阵则是由武田家信浓先方众所组成的，其大将为武田家的一门亲族众弥津元直。最后一阵第四阵才是武田军的本阵所在，由武田信繁和武田信廉、河漥信实、室住虎登、葛山氏元等一门亲族众以及谱代家臣组成。
武田信繁认为此战武田军的胜率很大，便布下了一个简单的四段阵势，便将骏河、远江两国的国人领主和信浓先方众这些仆从军皆布置于武田军的前方。武田信繁这么做一方面是为了减少武田家一门亲族众和谱代家臣的利益损失，另一方面还能让外样国人领主在与别家大名交战后损失实力，可谓是一举多得。
然而，随着战局的发展，却并没有朝武田信繁所预想的那样发展下去。
就当长野军快速接近武田军之时，天野景泰和富士信忠两部立即以传统的合战方式迎击长野军——以弓箭杀伤长野军。
随着武田军万箭齐发，但是长野军毫不胆怯。虽然在冲锋的路上时不时的有人中箭倒了下去，但其他人丝毫不顾，仍咬牙挺进。很快，长野军便突进了武田军的头阵之中。
长野业正的这种近乎无谋的战法反倒令武田军的天野景泰和富士信忠两部动摇了。随后，天野景泰和富士信忠二人便不约而同的被长野业正和小幡景定二人迅速击溃，完全可以说是一触即溃。
随着天野景泰和富士信忠两部被长野军击溃后，他们两部的溃兵便大量溃逃进入了后面的次阵大泽基相和天野虎景两部的军阵之中，立马大泽基相和天野虎景两部便混乱起来。天野虎景和大泽基相两人完全制止不住，在长野军攻过来后两部一触即溃。
由于武田军接连被击溃两阵，第三阵的信浓先方众们还没弄明白前方到底发生了何事便被大量头阵、次阵的溃兵给冲散了阵型，陷入了混乱。作为武田家的一门亲族众，弥津元直便气急败坏的令信浓先方众们坚持忍耐。但是，败势已经不是弥津元直能够遏制的了。长野业正和小幡景定二人用钳形攻势一路杀入了武田军的第三阵中。
当位于本阵的武田信繁得到头阵和次阵的外样国人领主已经败退后吃惊的差点从马扎上倒下去。武田信繁根本就没有料到骏河、远江两国的外样国人领主竟然会这样的不禁打，好歹头阵和次阵部署了两千军势，就算败也不可能一刻钟就两阵全败了。还让长野军迅速攻入了由信浓先方众所组成的第三阵内，而且第三阵此刻还处在即将败退的边缘。
为了将要扭转一边倒的战局，武田信繁只好令加藤信邦和日向昌成两人立即率本部人马向长野军展开突击。
就当长野军与武田军加藤信邦和日向昌成两部短兵相接后，长野军那势如破竹般的攻势便停了下来，他们仿佛在前面突然碰到了一块坚硬的石头一样。
就在长野军的骑马武士们想利用战马的优势去突破武田军的阵型时，武田军不甘示弱，立即用长枪或打刀刺向马腹、马胸。战马受惊后立起或横踢，反倒将长野军的前阵给弄乱了。长野业正感到非常的愤怒，他胯下的战马仿佛也感到了主人的情绪一样，在原地不停的打转起来。
就在此时，一名身着黑漆胴丸手持一把厚大而宽长太刀的武士独自一人快步冲向了武田军，挥动之间四面斩杀，所到之处皆是一片血肉横飞，残肢断臂。在他面前的不论是武田军中的武士还是足轻、杂兵，都被此人用恐怖的臂力劈成两半或者是一刀震飞。他几乎在瞬间，以一人之力在武田军密集的长枪阵前硬生生的打开了一个缺口。
后面的加藤信邦和日向昌成二人见此都瞠目结舌，而他们麾下的武士、足轻更是面如死灰。
此时，武田信繁将本阵的兵力分出一部分来组成别动队，打算夹击长野军。毕竟仗打成这样要是输了，自己如何面对兄长？以后如何立足于武田家？
就这样，武田信繁派出横田纲松和甘利昌忠二人，让他们率两千军势去突袭长野军的侧翼。
然而，武田信繁的一举一动却都被长野业正看在眼里。由于长野军是从东面而来，正好在小田井原东部的高地上，能对西面武田军的动向看得一清二楚。反而武田军却不能对长野军的动向进行实时掌握。
长野业正随即将计就计，令小幡景定转而攻打武田军本阵的左翼。
武田军本阵的左翼部署着武田信廉和葛山氏元两部，而他们的兵力却只有一千人，而且大都是老弱病残，主力还要守备河东，哪里有精兵能拉出来？