這一晚的交談改變了武田正信對織田信長的看法，他很佩服織田信長，他是真的想要天下和平。他忽然覺得，本能寺要不要救他一下。
不過還得和本多正信去商量商量，到底要不要接受織田信長的條件。畢竟在織田信長嘴裡，徵夷大將軍的權力被限制了許多。
第二天午後，織田信長在岡崎城召開作戰會議，詳細說明各部隊的部署位置。將決戰戰場定於設樂原。
此時，鳥居勝商到達岡崎城，織田信長告訴他，兩日之後大軍就將與武田軍展開決戰。喻其回城傳命奧平貞昌持續堅守。
十七日黎明前，織田信長、德川家康，武田正信聯軍四萬三千人從岡崎城出發。
夜間，聯軍克牛久保城。穴山信君部下捕獲鳥居勝商。武田勝賴叫他告訴長篠城守軍援軍不會到達，可不料鳥居勝商到達城下後大叫“織田信長大軍五萬兩三日後便回到達。”武田勝賴令士兵將鳥居勝商處以磔刑。
十八日，聯軍進入野田城。武田勝賴命以箭射書入長筱城勸開城。
十九日，聯軍抵設樂原。德川家康軍於高松山、織田信長軍於極樂寺山構陣，並修築防禦工事。
織田信長方（三萬人），武田正信方五千人。極樂寺山（本陣），織田信長、柴田勝家和武田正信。
天神山，織田信忠、河尻秀隆。
御堂山，北畠信雄、稻葉一鐵。
茶麿山，佐久間信盛、池田信輝、丹羽長秀、瀧川一益。
極樂寺山以東，水野信元、安藤範俊、蒲生氏鄉、森長可、羽柴秀吉、不破光治及其他大和、河內、攝津等豪族。
德川家康方八千人，彈正山德川家康。
鬆尾山，德川信康、德川家茂。
彈正山東，大久保忠世、本多忠勝、榊原康政、石川數正、平巖親吉、酒井忠次、鳥居元忠、內藤家長。
二十日，武田勝賴將家族大將集合在醫王寺山舉行軍議。甲斐武田老臣派與信濃新貴派在會上發生激烈爭吵，雙方甚至幾次想要拔刀在武田勝賴面前鬥毆。
不過最後武田勝賴還是不顧老臣派反對，堅持與織田信長決戰。
深夜天突降暴雨。武田勝賴認爲梅雨季節的雨會持續很多天，在這種天氣情況下進攻會抵消聯軍鐵炮優勢。於是致書甲斐留守長阪釣閒齋，頗爲自信地述說自己必將一戰大破織田信長。
二十一日，清晨，聯軍完成防禦工事的修築工作。武田軍撤圍。除了在鳶巢山留兵兩千人之外，其餘一萬三千冒雨趕赴設樂原佈陣，與聯軍對峙。
武田勝賴方佈陣右翼隊（淺木附近），穴山信君、馬場信房、真田信綱、真田昌輝、土屋昌次、一條信龍，三千以上。
中央隊（清井田附近），武田信廉、內藤昌豐、安中景繁、其他西上野衆，三千以上。
左翼隊（清井田南方高地），武田信豐、山縣昌景、小笠原信嶺、松岡右京、菅沼定直、小山田信茂、跡部勝資、甘利信康、小幡信貞、小幡信秀，三千以上。
總預備隊（天王山），武田勝賴、望月信雄、武田信友、武田信光，三千以上。
長篠城留守（鳶巢山砦等地），武田信實、小山田昌行、高阪昌澄、室賀信俊，約兩千人。
夜間，織田信長爲誘使武田勝賴進攻，指示佐久間信盛詐降武田，然而德川家臣酒井忠次提出夜襲鳶巢山砦，斷其退路的計劃。織田信長予以准許。
二十二日，天未明時，德川方酒井忠次、鬆平伊忠等率領三千人襲擊軍繞道向鳶巢山進發。清晨，大雨驟停。設樂原在兩天的大雨中早已是一片泥濘。
卯時（六點），鳶巢山砦遭襲。同時，武田勝賴排出鶴翼陣向聯軍發動進攻，一番手爲山縣昌景。七點半前後，鬆平家忠、天野惣次郎、戶田半平攻破鳶巢山砦，討死武田兵庫助信實。
小山田昌行、高阪昌澄展開反擊，一度獲勝，並殺死鬆平伊忠。無奈後方有海村防線被酒井忠次突破，武田雜兵開始潰逃，高阪昌澄在混亂中戰死。長篠城留守隊全軍覆沒。酒井忠次入長篠城，升起標誌勝利的狼煙。
九時，山縣昌景在突擊大久保忠世隊九次都未果之後轉向德川軍側翼，武田二番手武田信廉上陣。
九點四十前後，三番手小幡信貞隊五百騎立於織田信長陣線正中，作勢要中央突破。四番手武田信豐與小幡信貞會合，內藤昌豐隊、真田信綱隊、真田昌輝隊、原昌胤隊則向聯軍陣地左右翼提前展開攻擊。
十時，五番手馬場信房從右翼發動進攻，土屋右衛門尉昌次、一條右衛門大夫信龍、穴山陸奧守信君諸隊緊隨其後。內藤昌豐隊一千人突破瀧川一益四千人的防線。見瀧川一益軍潰不成軍地後撤，織田信長派出柴田修理亮勝家、不破光治與山岡景隆三隊作爲接應。
武田信廉隊破壞聯軍中央第一道防馬柵欄，但是在第二道防馬柵前受阻。
十一時，馬場信房隊七百人以四十人的代價突破佐久間信盛隊六千的防線。織田信長派丹羽五郎左衛門長秀隊、羽柴筑前守秀吉隊圍殺馬場信房。
十二時，山縣昌景帶領小山田信茂隊突擊柴田、丹羽、羽柴三隊，解內藤昌豐、馬場信房之危。柴田、丹羽、羽柴隊均不能敵，敗走。
十二點二十前後，山縣昌景軍對德川家康本陣展開進攻。此時山縣昌景赤備僅餘三百人。
午後一點，見織田信長兵力分散，小幡信貞五百騎與武田信豐隊一前一後向織田軍中央陣地展開進攻，小幡信貞隊勢如破竹，沿武田信廉隊路線連破兩道防馬柵欄，殺入織田信長本陣。
織田信長和武田正信大驚，武田正信連忙喊道：“勝猛，砍下前方敵將頭顱！今日在這長筱讓天下所有人知道你的威名！”
島勝猛向前一步大喊：“島勝猛在此，勿傷我主！”